Most már értem a napenergiát XIX. - Második generáció

Folytatjuk előzőekben megkezdett cikkünket, a kereskedelmileg és iparilag is felhasználható napelemek működésének és konstrukcióinak áttekintéséről. Előző cikkünkben eljutottunk a második generációs napelemekig. Évzáró cikkünkben a II. generációs napelem konstrukciókat ismertetjük.

A második generáció 1990 – 2006

A napelemek második generációjának kialakulása az 1990 – 2006 –os évek közé tehető. Fokozódtak az állami támogatások, például Németországban és Amerikában a „100000 háztető” programok, melyek aztán ösztönzőleg hatottak más országokra is. Szerte a világban napenergiás programok és napelem gyárak alakultak. Magyarországon is megkezdte működését első gyárunk, a Dunasolar (amerikai-magyar részvénytársaság, 1997-2003).

A II.G napelem cellák főbb tagjai

Az ipar fejlődése meglódult. Az éves fejlődés mértéke 15-30% körül mozgott (napelem cellák és napelem modulok gyártási kapacitásainak fejlődése). Új fogalmak és elnevezések jelentek meg. A különféle iparágak is egyre intenzívebben érdeklődtek a napelemek, és megújuló energiák iránt. Az ipar nagy „boom”-nak nézett elébe. Az akkori jóslatok szerint: ez az iparág nagyobb lesz, mint a világ autóipara! (Tévedtek volna?)

Szelet alapú, szilárdtest napelem cellák, de már lényegesen vékonyabb Si réteggel (200 mikron alatti vastagságok*)
Vékonyréteg napelemek (Thin film)
- Amorf Szilícium (a-Si:H),
- CdTe,
- CIS-CIGS (réz indium diselenid, réz-indium- gallium)
Mikromorf cellák (HJT, HIT, BSF, PERL, PERC, IBC, Al-IBC)
Kétoldalas (bifaciális napelem cellák)
CZTS (Cu2ZnSn (S, Se)4 (CIS-CIGS rokon)
ORGANIC (Organic molecular / intrinsic vezető alapú, polimer napelemek)
DSS, festék cellák (Dye sensitized photochemical materials, Gratzel cell)
DSSC (Dye sensitized solar cell)

*Megjegyzés: Egy emberi hajszál mintegy 60-80 mikron vastag. (1 mikron= 10-6 m)

1. Ábra: Az egyrétegű vékonyréteg cellák hatásfokai.

Korábban, a szelet alapú napelem cellákból készült napelemek uralták a piacot, de erős volt a nyomás az árak csökkentésére. A drága szilícium anyagból 300-400 mikronos szeleteken alakították ki a napelem cellát, melynek azonban csak a felső, mintegy 1 mikronos része volt az aktív felület. A költségek és árak lefaragása itt kezdődött, egyre vékonyabb cellák születtek. A vékonyrétek technológia „nagy találmánya” az volt, hogy válasszunk egy olcsó hordozót (üveg), és erre csak az aktív réteget vigyük fel, gőzöléssel, füstszerű rétegben. Az integrált áramköri technológia akkor már rendelkezett ezekkel az eljárásokkal (Thin film technology). Így az egyes lépéseket „már csak” adaptálni kellett. (2-3as ábrák)

A vékonyréteg technológia előnyei

Az aktív réteg igen csekély vastagságú: 0,6-1 mikron
Csak annyi anyagot viszünk fel, amennyi kell – anyaghulladék alig van
Alacsony hőmérsékleten gyártható a napelem
Nincs hulladék
Folyamatos gyártás
Többlet energiát képes nyújtani (szórt fény)
Árnyéktűrő napelem

2. Ábra: Magyarország első napelem gyárának terméke a kettős rétegű (2j a_Si:H) amorf szilícium vékonyréteg napelem, mely integrált cellákkal rendelkezett (1997-2003).

Nemcsak szilícium alapú napelemek készültek, hanem megjelentek az alap-technológia továbbfejlesztett tagjai is: kádmium tellurid (CdTe), és CIGS (CIS, réz –indium –diseleneid) napelemek is. 2003-ban a technológia díjat is nyert és nemcsak a szépsége miatt. A vékonyréteg napelemek fajlagosan jobb energia átalakító képességgel rendelkeznek, mint szelet alapú rokonaik. (És ez azóta is igaz!)

3. Ábra: CIS (CIGS) napelemmel borított épület BIPV alkalmazás 2003.

A II.G napelemek főbb technológiai jellemzői

Még mindig szilícium alapon készülnek
Költségek csökkentése (anyag, hulladék)
Vékonyabb cellák (400 mikron -> 200 mikron)!
Vékonyréteg technológia (1 -2 mikron aktív réteg)
Részben még félvezető technikai megmunkálás (vegyes)
„Hibrid” – házasított technológiák (mikromorf)
(Üveg-üveg) vagy (üveg – műanyag) lezárás
HIBÁK feltárása – fokozott figyelmet kap
Megszülettek a nemzetközi szabványok!
Megjelenik a biokémia (komplex organikus vegyületek)
Új fogalmakat vezet be a napelem ipar
A QUANTUMFIZIKA szerepe az elméleti működés megértésében.

Molekuláris orbitális energiaszintek

A korábbiakban hozzászoktunk ahhoz, hogy az energiaszinteket a félvezető sávokkal magyarázzuk, de ezt a szemléletet most gyökeresen meg kell változtatnunk. Új anyagok, szerves anyagok jelennek meg a technológiákban.

A félvezető sávok fogalmát felváltják a HOMO – LUMO molekuláris orbitális energiaszintek.

HOMO – LUMO energia szintek

A félvezető fizikában korábban megismert energiasávok (vegyérték, tiltott, vezető, melyek az elektronok energia szintjét jelentették), molekuláris szinten csak nehezen értelmezhetők. Ezért a szerves molekulákat tartalmazó anyagok esetében más fogalmakat kell használnunk.

HOMO A legmagasabb, elfoglalt molekuláris keringési pálya energia szintje.

LUMO A legalacsonyabb, nem-elfoglalt molekuláris keringési pálya energia szintje

4. Ábra: A HOMO LUMO energiaszintek illusztrálása.

Érdekességképpen említjük meg, hogy az energiaszintek megváltozásával egyben megváltozik az anyag szerkezete is!

5. Ábra: Bizonyos anyagok HOMO-LUMO energiaszint változásai kihatnak az anyag szerkezetére is.

Míg korábban a félvezető anyagok energiasávjait kellett egyeztetni, most a molekuláris energiaszinteket kell egyeztetnünk egy napelem cella tervezésekor.

6. Ábra: A) B). Egy szerves (OSC) napelem cella energia szintjei sematikus ábrázolásban.

Az IQE EQE kvantum hatásfokok

Ugyancsak a korábbiakban, megismerhettük a hatásfokok különféle definícióit, és láttuk, hogy az energia hozamok, nem csupán a hatásfokoktól függenek, sőt előfordulhat olyan eset is, hogy egy alacsonyabb hatásfokú napelem cella több energiát eredményez, mint magasabb hatásfokú társai. (Lásd vékonyréteg és szelet alapú technológiák harca a piacon.). Most két másik fontos hatásfokot kell megismernünk melyek quantum szinten jellemzik a napelem „cellákat”.

Megjegyzés: a cikkben a továbbiakban is „cellának, napelem cellának” fogjuk nevezni ezeket a „fény-elektromos átalakító egységeket” holott lehet, hogy formailag már alig lesz közük a „cellához” társítható képzeteinknek.

EQE
A külső kvantum hatásfok (EQE, external quantum efficiency) esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a beérkezett fotonok számával.

IQE
A belső kvantum hatásfok (IQE, internal quantum efficiency) esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a ténylegesen elnyelt fotonok számával.

EQE = IQE * (1-reflexió-transzmisszió)

BSF, PASHA, EWT, MWT, PERC/PERL, POLO, IBC, HIT, … szerkezetek

A napelemek egyre gyarapodó családja sok új taggal bővült, mára a „család” szinte tömeggé változott. Eddig is igen gyakoriak voltak a napelemes szakirodalomban a három-négy betűs rövidítések, de számuk mostanra szinte áttekinthetetlenné vált. Ezt illusztrálja fejezetcímünk is, melynek felsorolásában kellő vissza-fogottságot igyekeztünk gyakorolni. Sajnos arra, hogy minden változatot ismertessünk, a cikk keretein belül nincs lehetőségünk. De nincs is erre szükségünk, mert egy-egy jellegzetes típus kiválasztásával egy sorozatnyi változatot ismertethetünk. A nagyobb hatékonyságú napelemek nemsokára nagyobb tömegben is piacra kerülnek a következő 2024-2030 évek során.

Ismerkedjünk meg a főbb irányvonalakkal

PERC, PERL, MWT, EWT, PASHA (kétoldalas cella hátoldali passzivált diffúzióval), IBC, SHJ (HIT) cellák.

Ebben a napelem dzsungelben elsősorban azt kell világosan látnunk, hogy 1-2%-os hozam növelésért megy a küzdelem! Ez természetesen felvet további (kereskedelmi, piaci, stb.,) kérdéseket.

* A HIT a Panasonic cég márkaneve
** javasolom, hogy a napelem cellákat az angol rövidítés alapján jegyezzük meg.

Az egyik legfőbb probléma, hogy ilyen gyors termékfejlődés (fejlesztés) esetén óhatatlanul – túlzottan korán – megjelenhetnek olyan napelem eszközök (szándékosan nem használjuk a termék fogalmat!) – melyek még nem piacérettek.

7. Ábra: Egy BSF napelem cella működésének sematikus folyamata.

A 7. Ábra, egy hátsó passziválással ellátott cella (BSF) működését mutatja. A hátsó passziválás kétféle módon növeli a hatékonyságot. Első előny, az, hogy a hátsó réteg visszaveri azt a fényt mely keresztülhatolt a cellán, de nem generált excitont. A visszavert fény újra megteszi az utat a cellán belül és valószínűleg excitont gerjeszt. Második előny, hogy a réteg passziválja a kristályba esetlegesen bejutó szennyeződéseket, melyek a hátsó felület irányából (és miatt) érkeznek.

PERC / PERL

A PERC konstrukció mozaikneve (passzív emitter, hátsó kivezetéssel) teljesen jól tükrözi a konstrukció lényegét. Ha az első (fény felőli oldal) oldalon lévő fémezést sikerül kiküszöbölni, például áttenni a hátsó oldalra akkor nő a besugárzott felület, nő a hozam. A PERC konstrukció (1988, 24% hatásfok!) már a 80-as években felmerült, alkalmazására egyenlőre „nem volt szükség, mert a fejlődés rendben ment”.

8. Ábra: A PERC konstrukció a múltból. 1988-at írunk, 24% hatásfokkal! (van új a nap alatt?)

9. Ábra: Perc/Perl, Pasha, IBC, SHJ konstrukciók. Figyeljük meg, hogy az egyes lényeges változatok között oly „csekély különbségek vannak”, hogy azt szinte csak a szakértő szeme veszi észre.

SHJ napelem cella konstrukció

Az SHJ konstrukció lényege, hogy egy adott technológiával létrehozott kristályos (c_Si) réteg köré amorf rétegeket csatoljanak, így a spektrális érzékenység lényegesen növelhető.

10. Ábra: Az SHJ konstrukció rétegelrendezése.

Egy áttekintő táblázatban foglaljuk össze a főbb típusokat.

11. Ábra: A) ----- H) Az újabb napelem cella konstrukciók áttekintése.

Összefoglaló

Folytatásos cikkünkben áttekintettük a napelem cellák fejlődésének II. generációját. Kiléptünk az eddig szokásos szilárdtest félvezető alapú szemléletből és a quantum-mechanika világába lépve megismertük az újabb konstrukciókat. Új hatásfok definíciókat vezettünk be (IQE, EQE), melyek pontosabban leírják a fényhasznosítási lépések (lásd témanyitó, előző cikkünket) legelső mozzanatait, azaz a foton kvantum befogását.