Sorozatom záró részében összefoglalom, milyen tényezők befolyásolják a napelem hatásfokát, bemutatom a lehetséges alkalmazási módokat és a hatásfoknál fontosabb tényezőket.

A hatásfok nyomában

A 2. részben elmeséltem, hogy a kvantumelmélet segítségével belátható, hogy egy adott anyagból készült napelem a fény spektrumának csak egy részét képes villamossággá alakítani. Az energiamennyiség szempontjából ezen a téren a szilícium teljesít a legjobban. A kb. 30%-ra adódó elméleti hatásfokot azonban több dolog miatt sem lehet elérni. Egyszerre több tényező határozza meg a kiadódó gyakorlati hatásfokot, melyeket olykor csak egymás kárára erősíthetünk.

Fontos szempont például a napelem abszorpciója, az a mérőszám, amely megmutatja, mekkora részét nyeli el a napelem a rásugárzott fénynek. A beérkező fénnyel három dolog történhet: visszaverődik, elnyelődik vagy áthatol a napelemen. A felület strukturálásával és tükröződésgátló bevonatokkal a visszavert fény mennyisége közel nullára csökkenthető. Ahhoz ugyanakkor, hogy minden fény elnyelődjön a cellában, vastag szilíciumrétegre van szükség, ez pedig azt jelenti, hogy a fotáramnak vagy nagy kristályrészen kell áthaladnia, vagy sok kontaktust kell kialakítani, amelyek árnyékolják a kristályt. A szilícium ellenállásán a fotoáram teljesítményt disszipál, ez tehát veszteségként jelentkezik, ráadásul melegíti is a napelemet. A két követelmény ellentmond tehát egymásnak: egyrészt vékony rétegre van szükség, hogy kis ellenállású legyen, másfelől vastag kell, hogy legyen, hogy minél több fényt nyeljen el.

A már említett melegedés külön problémát okoz, ez ugyanis csökkenti a napelem hatásfokát. Túlságosan lehűteni sem szabad azonban a cellákat, mert ez a már említett ellenállás megnövekedéséhez vezetne. Amennyiben sikerül megakadályozni a cellák felmelegedését, érdemes lencsékkel, tükrökkel koncentrálni a fényt, mert ez a hatásfok növekedését eredményezi. Jobban megéri tehát optikai úton összegyűjteni a fényt egy nagy területről és azt kisebb felületű napelemre vezetni, mint koncentrálás nélkül nagyobb felületű, azonos hatásfokú napelemet alkalmazni.

Napelemek a gyakorlatban

A napelemek gyakorlati alkalmazását ár/teljesítmény arányuk határozza meg. Amennyiben kellő mennyiségű hely áll a rendelkezésünkre, az alacsonyabb hatásfokú, olcsóbb fajtákat érdemes választani.

A legjobb hatásfokú szilícium napcellák 22% körüli hatásfokkal rendelkeznek. Ezek nagy tisztaságú szilícium egykristályból épülnek fel, melyek előállítási költsége nagyon magas. A tisztaság azért kulcsfontosságú, mert minden kristályhiba növeli annak esélyét, hogy a magasabb energiaszintre lökött elektronok visszaessenek, energiájuk pedig elektromosság helyett hővé alakuljon. Ott alkalmazzák őket, ahol nincs elég hely, illetve minden gramm számít.

Az olcsóbb, polikristályos napelemekkel találkozhatunk a leggyakrabban. Míg az egykristályos cellák egyszínű, mintázat nélküliek, addig a polikristályos cellák könnyen felismerhetők töredezett, számos kristályt tartalmazó képükről. A manapság terjedőben lévő napelemes töltőkészülékek is általában ilyen panelt tartalmaznak, hatásfokuk 15% körüli.

Az amorf szilícium gyártástechnológiája nagyon leegyszerűsíti a bonyolultabb struktúrák kialakítását is, így az árversenyben ez a típus győzedelmeskedik, hatásfoka 6% körüli. Árán túl a flexibilis kivitelezési mód lehetősége is komoly érvként szól mellette.

Hova tegyem?

Mivel az elektromosság közvetítése költségekkel jár, másfelől pedig a napenergia egy ingadozó, így hálózatra jelenleg kevéssé köthető energiafajta, ezért a felhasználás helyéhez minél közelebb kell elhelyezni a napelemeket. Naposabb, nyugati államokban már ma 10-15 éven belül megtérülő befektetés a családi házak napelemesítése. Ez akkor éri meg igazán, ha a helyi áramszolgáltató hajlandó tőlünk megvásárolni a fölös termelést. Úgy tudom, a nyugati régióban, megfelelő feltételek teljesülése esetén az egyik szolgáltató már Magyarországon is átveszi a háztáji villamosságot.

Még jobb, ha a házat már kifejezetten úgy tervezik, hogy tetőfedőként napelemeket alkalmaznak, ilyenkor nem kell aggódni a túlzott mechanikai terhelés miatt.

A gyorsan fejlődő városi környezetekben számtalan lehetőség adódik a napelemek alkalmazása számára a falak, tetőszerkezetek borításában illetve az ergonómiai célú árnyékolások megvalósításában.

forrás: [15]

Ez utóbbi feladatra kiemelkedően alkalmasak a félig átlátszó napelemek.

Érdekes tény, hogy bár a mai árak mellett a napelemek még drága portékának számítanak, fajlagos költségük már alacsonyabb, mint a csiszoltkő-burkolatnak. A fejlesztés jelenlegi iránya egyértelműen a költségek lejjebb szorítása, a drága szilícium mennyiségének csökkentése. Jó példával szolgál erre egy korábbi írásom témája, mely egy Caltechen fejlesztett napelemet mutat be, mely igazából egy koncentrátoros rendszer. A napelem anyagának nagy részét olcsó polimer és fényvisszaverő szemcsék teszik ki, melyek a nagy területről összegyűjtött fényt a kis mennyiségű, vékony szilíciumszálakra összpontosítják.

Ahogy az első részben írtam: hosszú távon a napelemek energiaellátásunk legfőbb részét kitevő részei lesznek. Ha jobban szemügyre vesszük, a technológia már ma is gazdaságilag legitim megoldásokat kínál a számunkra, a jövőben pedig ennél csak kedvezőbb változatokra számíthatunk.