A folyamatok energetikai szemlélete segítségével mindig azt vizsgáljuk, mennyi energia lép be egy rendszerbe és mennyi, illetve milyen formában hagyja el azt. A napelemek esetében fényenergiát vesz fel és villamos energiát ad le a rendszer. A működés jóságát egy egyszerű mérőszámmal, a hatásfokkal jellemezhetjük. Ez a számunkra hasznosnak ítélt energia mennyisége osztva a bemenő energia mennyiségével.

Hogy megismerjük a napelemek hatásfokának korlátait, nézzük meg, hogyan alakul a fényenergia villamossággá! A legegyszerűbb napelem egy megvilágított P-N átmenet. Egy egyenirányításra használt dióda egy ilyen átmenetből áll, egy tranzisztor pedig kettőből épül fel. A P-N átmenet a gyakorlatban egy szilícium egykristály, mely eltérő adalékolású (szennyezettségű) tartományokból áll. Példaként tekintsünk egy szilíciumkristályt, melynek bal oldalát foszfor (P) atomokkal erősen adalékolták. A foszfor beépül a kristályrácsba, így ha a szilíciumdarabka kristályrácsát közelről megvizsgáljuk, azt találjuk, hogy itt-ott szilícium- helyett foszforatom ül benne.

A szilíciumatomoknak 4 vegyértékelektronja van, melyek segítségével (akárcsak a szénatomok a gyémántban) 4 szomszédjukkal hoznak létre kovalens kötést. A foszforatom is négy szomszédos szilíciummal hoz létre kötést, neki azonban 5 vegyértékelektronja van, melyből egy lekötetlen marad és szobahőmérsékleten leszakadva szabadon mozog a kristályrácsban, vezetővé téve azt.

A P-N átmenetben, ahol a határ jobb oldalán sokkal kevesebb a vezetőképes elektronok száma, a diffúzió átviszi az elektronokat a túloldalra, így ott negatív, míg az általuk elhagyott területen pozitív töltés alakul ki. E töltések által kialakított térerősség az, amely akadályozza a töltéshordozók mozgását az egyik irányban, a másikban azonban lehetővé teszi azt. Ugyancsak ez a térerősség fog munkát végezni a napfény által létrehozott töltéseken, mely munkát mi hasznosíthatunk.

A napfény a következőképpen hoz létre elektromosságot a P-N átmenet segítségével. A beérkező fotonok elnyelődnek a kristályban és energiájuk szabadon mozgó elektronokat (és lyukakat) hoz létre (párkeltés). Nem jön létre új elektron, csupán egy addig kötött állapotban lévő (vegyértéksávhoz tartozó) elektron ugrik fel egy nagyobb energiaállapotba (a vezetési sávba), melyben szabadon mozoghat. A szabad töltéshordozó sorsa innentől fogva a szerencsén múlik: ha elég közel van a P-N átmenethez, akkor az előbb említett térerősség átsodorja azon, mintegy legurul egy potenciállépcsőn és zárt áramkör esetén fotoáramot hoz létre. A töltéshordozó azonban minden pillanatban egy adottvalószínűséggel visszaeshet az alacsonyabb energiaszintre (rekombinálódhat), energiája melegíti a kristályt, a vezetésben pedig már nem vehet részt. Hiába hoz tehát létre a napfény szabad töltéshordozókat, ha azok túl messze vannak az átmenettől, mert előbb visszazuhannak az alacsonyabb energiaszintre, semmint részt vehetnének a fotoáram kialakításában.

Ahhoz lehetne hasonlítani a folyamatot, mint amikor a napfény hatására elpárolgó tengervíz magas területeken csapódik le, ahonnan folyókként lezúdulva gravitációs potenciális energiájukat áramtermelésre lehet felhasználni. Itt a napfény magasabb energiaszintre emeli a töltéshordozókat, melyek elektromos potenciális energiáját a P-N átmenet segítségével, azon "átfolyatva", munkára tudjuk fogni.

Miért korlátos azonban a napfény felhasználhatóságának hatásfoka? Mert nem minden foton és nem a teljes energiájának megfelelő módon hoz létre szabad töltéshordozókat. A kvantumelmélet fő felfedezése, hogy az energiaszintek kvantáltak, egymástól rögzített távolságokban helyezkednek el. Egy elektron sem tartózkodhat bármekkora energiájú állapotban, csak fix, anyagonként kiszámítható szinteken. Jelentősége annak a távolságnak van, amely az elektronoknak a már említett kötött és szabad állapota között található. A szilícium esetében ez 1,12 eV. Ekkora energia kell tehát ahhoz, hogy egy kötött elektron szabaddá váljon. Ennek nem veheti fel mondjuk a felét az elektron, mert a kvantumelmélet szerint ilyen energiaállapot nem létezik.

Vagyis pl. szilícium esetén a napfény minden 1,12 eV alatti energiájú fotonja megy a levesbe. Nem hoz létre szabad töltéshordozókat, és ha el is nyelődik, csak a napelemet melegíti. Ez azt jelenti, hogy bármilyen erősen világítsuk is meg, vörös fénnyel nem tudunk áramot kicsikarni ilyen napelemekből. Az 1,12 eV-nál nagyobb energiájú fotonok esetében sem lehet maradéktalanul kihasználni a 1,12 eV fölötti részt, ez is csak melegíteni fog. A fizikai korlátokból adódó elméleti hatásfok szilíciumnál kb. 30%-nak adódik, ennél többet tehát technológiától függetlenül nem lehet elérni. A különböző félvezető anyagok közül ez a legjobb, vagyis ha nagyobb hatásfok elérése a célunk nem gondolkodhatunk egyetlen anyagban és egyszerű szerkezetben.

Könnyen belátható, hogy a hatásfok javulása érhető el, ha a beérkező napfényt a spektrum szerint (a fotonok energiája szerint) egy tükrös rendszerrel különböző részekre osztjuk fel és ezeket különböző érzékenységű, eltérő anyagból kialakított napcellákra irányítjuk. Az efféle rendszerek azonban nagyon drágák, így kísérleti elrendezéseken kívül jelenleg sehol nem használatosak.

Bár kétrészesre terveztem jelen sorozatot, az elméleti rész terjedelme miatt úgy érzem, csak egy 3. résszel tudok neki megfelelő keretet adni. Ebben már elméleti leírások helyett a gyakorlatra és a technológia jelenére helyezem a hangsúlyt. Röviden be fogom mutatni, milyen eltérő kivitelű napelemek léteznek, melyik milyen előnnyel rendelkezik, és hogy milyen szempontokat kell szemmel tartani a hatásfok és a költséghatékonyság érdekében.