Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!
Bevezetés
Kereskedelmileg és iparilag is felhasználható napelemekről, azaz napelem iparról, az 1990-es évek óta beszélhetünk. Cikkünkben egy gyors leltárt készítettünk arról, hogyan is állunk most, mit tudunk használni és egy kissé kitekinteni – már amennyire lehet előre tekinteni -, hogy mit is hozhat a jövő. Azért csak ilyen „gyors (és rövid) a leltár” mert már „papíron is csak lihegve tudjuk követni” a gyors fejlődést, és a hirtelen kinyílt technológiai lehetőségeket.
Az Első Generáció 1837 - 1990
Méltán megérdemli a nagybetűs kiemelést, mert ez a hőskor.
Akkor élt tudósaink feltalálták, kitalálták, alkalmazták, és végül örökül hagyták ezt a csodálatos technológiát, mely, - fejlettebb változatban, valószínűleg - a hamarosan elkövetkező űrsétáinkon is elkísér.
Az egyes generációk maguk is sokféle al-változatot tartalmaznak. Ezeket, a korlátozott hely miatt, nem tudjuk részletesen, a maguk sokféleségében bemutatni, elemezni. Az egyes generációkat egy kiválasztott, jellemző példán mutatjuk be.
A villamos energia (és a villamos/elektromos eszközök is) kétségtelenül a legfontosabb felfedezés az emberiség történetében.
De fényből közvetlenül villamos energiát nyerni még nagyobb technikai bravúr volt. Az első kísérletek során csak 3-4% átalakítási hatásfokot sikerült elérni, de ez mégis hatalmas siker volt, mert KÖZVETLEN VILLAMOSENERGIA átalakítást jelentett.
Az I. generáció főbb tagjai:
- Monokristályos Si (m_Si, c_Si) cellákból épült napelemek
- Polikristályos (multikristályos) Si (p_Si) cellákból épült napelemek
- PERL és PERC (passzív emitter, hátsó kivezetés) technológiával készített napelemek
- Nagy hatásfokú több átmenetes napelemek (multi junction, a periódusos rendszer III.-V. csoportjába tartozó anyagokkal, űrkutatás, CSP)
- Az első komolyabb integrációs kísérletek nagyobb rendszerek kialakítására (SPP < 1-3 MWp)
A korszak domináns piaci szereplői a mono-, és polikristályos napelemek voltak. Ma is ezek alkotják a piac gerincvonalát.
Még érdekesebb az összehasonlítás, ha az NREL 2005-ben és 2018-ban kiadott hatásfok adatait nézzük.
Az első generáció főbb technikai jellemzői
- Főleg szilícium alapon készülnek
- Magas hőmérsékletű szilícium-kohászat adja az alapot (öntecs, szelet)
- Félvezető technikai (fotolitográfia) megmunkálás
- Kis-, közepes méretek, max. (900-1400) x (600-900) mm)
- Üveg-üveg vagy üveg – műanyag lezárás
- Viszonylag megbízható minőség
- Maximum rendszerfeszültség 600 Vdc
- Gyártói kapacitás küszöb: 1-500 MWp/év
- Ezen a technológián tanulta meg az emberiség a napenergia hasznosítást
A továbbiak jobb megértése okán fontosnak tartjuk az előállítási folyamat logikai lépéseinek megismerését. A napsugárzásból a következő logikai lépések során nyerünk elektromosságot:
A fény és az anyag kölcsönhatásai
A fény többféle módon léphet kölcsönhatásba az anyaggal, az anyag és a fény (elektromágneses sugárzás) jellegétől (erősség, spektrum) függően.
Az anyagok elektromos vezetőképesség szerint, az alábbi három csoportba sorolhatók:
Szigetelők és félvezetők esetén a két sáv között ún. tiltott sáv helyezkedik el, ide elektron nem kerülhet.
A tiltott sáv nagysága kb. 0,2-2 eV.
A félvezető anyagokban, a külső fény hatására elektron átugrás lehetséges, de ez csak akkor hatékony, ha a beeső foton energiája (gerjesztés) pontosan akkora, mint a tiltott sávszélesség. Ha kisebb, nem történik átugrás, ha nagyobb, akkor energia veszteség keletkezik. Különféle félvezető anyagoknál ez különféleképpen történik. A gerjesztés során exciton pár (elektron-lyuk pár) keletkezik.
A hagyományos napelemek főbb szerkezeti elemei
A felhasználók egyre nagyobb hatásfokot (hozamot) követeltek. A hatásfokok és hozamok növelése érdekében fejlesztések indultak meg. A cellák méretének növelése, a fémezési veszteségek csökkentése, a napelemek külső méretének növelése, stb., irányában.
A NAPELEMEK ELKEZDTEK NŐNI
Amit régen egy ember vitt fel a tetőre azt már két embernek kellett vinni. Ebből sok probléma adódik (mikro repedések, állagromlás, kezdeti hibák).
Sajnos az ember „nem nőtt fel” a napelemhez.
Ez a „nagyság” lehet, hogy meggyorsítja a telepítési folyamatot, de lényegesen növeli a mikro-repedések megjelenésének valószínűségét. Ami, - mint azt a szakma jól tudja – a napelemek korai halálával végződik. A megengedhető legnagyobb feszültség lényeges növekedése (Vsys, ami korábban 600-800 Vdc volt, most 1500 Vdc-re változott) is a rosszabb irányban hat, a PID kockázat megnövekedett! A nagyobb feszültségek miatt megnőtt a vonal-vonali (line-line) és a vonal-föld közötti DC áthúzások veszélye is (tűz kialakulásának kockázata). A szakma elkezdett kiutat keresni.
A végzetes felismerés SQ (limit) és a kétségbeesett próbálkozások
Az egyik első észrevétel az volt, hogy a fémezés – mivel lefedi az aktív felületet, veszteséget okoz, és az áramerősség megnövelése (több bus-bar) is csökkenti a veszteségeket.
A fémezések fejlesztése
Megkezdődött a fémezések fejlesztése. Egyszerre (sűrűn egymás után) különféle változatok jelentek meg azzal a célzattal, hogy a cella felületi áramát, a legrövidebb, és legszélesebb (legnagyobb keresztmetszetű) úton lehessen továbbítani. Ennek kapcsán érdekes megoldások is megjelentek.
Érdemes megemlíteni, hogy a „Mandelbrot” fémezés igen kedvező hő térképet mutatott.
A „chello” (a szellemes névválasztású sokhúrú hangszer) megoldás lényege, hogy a szokásosnál lényegesen vékonyabb, huzalszerű, de sokkal több (12 db.) felületi elektródával gyűjtjük be a töltéseket. Ez a változat termék szintig is eljutott.
Mivel a rendszerfeszültség (Vsys) megnövelésének igénye továbbra is fenn állt, egy érdekes fejlesztés indult meg a cellák felezésével. Ismert, hogy a diódák (napelem cellák) nyitó feszültsége 0,5 – 0,7 volt, és egy napelem cella egy diódát jelent, kézenfekvőnek tűnt a cellák fetté vágása, felezése. Ezek sorba kapcsolásával, dupla feszültségünk keletkezett. Így egy korábbi napelem, mely 60 napelem cellából állt, most szinte ugyanolyan felületű maradt, de 120 db felezett napelem cellából áll, és feszültsége megduplázódott.
Az új konstrukció egyik előnye, hogy a korábbi - szinte kivédhetetlen - árnyék függés jelentősen lecsökkent, kezelhetővé vált. Az előnyökkel azonban – mint tudjuk – hátrányok is járnak.
A törékeny és egyre vékonyabb cellákat úgy kell elvágni, úgy, hogy ne sérüljenek. Ez természetesen nem megy selejt nélkül, így a „kihozatal” csökken. (Ezt az árban majd valakinek meg kell fizetni). A vágások technológiáját át kell újra gondolni, mert „drótos” (gyémántporral bevont vékony huzal) technika a kész napelem cellára nehezen alkalmazható. A gyémánt-tűs karcolásos technika is nehézséget okoz, ugyanazon okból.
A napelem cellák további, kisebb méretre vágásának vannak előnyei is, például az, hogy selejtes részeket ki lehet vágni, mint az almából a rossz részeket, a jó részek pedig további felhasználásra kerülhetnek.
A lézeres vágások előnyei és hátrányai
Többféle lézeres vágási technológiát dolgoztak ki a napelem cellák megmunkálására.
A TLS rövidítés jelentése termikus lézeres szétválasztás (Thermal laser separation).
Az LSC rövidítés (az LDC elnevezés is használatos) jelentése lézeres karcolás és hasítás (laser scribing with cleaving).
A következő ábrákon néhány mikroszkópos képpel illusztráljuk a lézeres vágásokat.
Bármennyire is kerülni akarjuk a sérüléseket, a lézeres vágás is hagyhat nyomot a felületen.
A lézeres vágás igen nagy pontossággal végezhető és tulajdonképpen minden alakzat elképzelhető. Most már lehetséges a napelem cellák „méretszabósága” is.
Utolsó ábránkon egy napelem cella erősen felnagyított scanning elektronmikroszkópos (SEM) képet mutatunk be, a kivágott ábra egyik legkritikusabb helyéről a hegyes sarokról (20. Ábra. a). A kép egyben jól jelzi a technológiával elérhető simaságot és pontosságot is b) ábra.
