A technológiai fejlődéssel és az ipar növekedésével a fotovoltaikus (PV) energiatermelés költségei folyamatosan csökkennek, így a jövőben a fenntartható fejlődés egyik kulcsfontosságú energiaforrásává válnak.
A fotovoltaikus technológia főbb összetevői
A fotovoltaikus (PV) energiatermelési technológia központi eleme a napelem. A napelemek fejlődése három generációra osztható. Az első generáció a szilícium alapú napelemekből áll; a második generáció a vékonyrétegű napelemeket foglalja magában; a harmadik generáció pedig olyan új technológiákat foglal magában, mint a nagy koncentrációjú fotovoltaikus (HCPV) cellák, a szerves napelemek, a rugalmas napelemek és a festékkel szenzibilizált napelemek. Jelenleg a szilícium alapú napelemek uralják a piacot, míg a vékonyrétegű cellák fokozatosan nyerik el piaci részesedésüket. A legtöbb harmadik generációs cella, a HCPV kivételével, még mindig a kutatási fázisban van.
Szilícium alapú napelemek
A szilícium alapú napelemek közül a monokristályos szilícium technológia a legfejlettebb. Ezen cellák hatékonyságát és költségét elsősorban a gyártási folyamat befolyásolja, amely olyan lépéseket foglal magában, mint a tuskóöntés, az ostyaszeletelés, a diffúzió, a textúrázás, a szitanyomás és a szinterelés. Az ezzel a hagyományos eljárással előállított napelemek jellemzően 16-18%-os fotoelektromos konverziós hatásfokot érnek el.
A monokristályos szilícium napelemek rendelkeznek a legnagyobb konverziós hatásfokkal, de egyben a legdrágábbak is. A polikristályos szilícium napelemek jelentős költségcsökkentést kínálnak azáltal, hogy közvetlenül előállítanak belőlük nagyméretű, négyzet alakú szilíciumöntvényeket, amelyek alkalmasak tömeggyártásra. Ez az eljárás egyszerűbb, energiát takarít meg, takarékoskodik a szilícium anyaggal, és alacsonyabb anyagminőséget igényel.
A napelemek költségeinek csökkentése két fő stratégiával érhető el: az anyagfelhasználás csökkentése (pl. szilíciumlapka vastagságának csökkentése) és az átalakítási hatásfok növelése. A hatékonyság fokozásának módszerei közé tartozik a fényelnyelés növelése (pl. felületi textúrázás, tükröződésmentes bevonat, az elülső elektróda szélességének csökkentése), a fotogenerált töltéshordozók rekombinációjának csökkentése (pl. emitter passziválás) és az ellenállás minimalizálása (pl. lokalizált adalékolás, hátsó felületi tértechnológia).
A monokristályos szilícium napelemek esetében a legmagasabb feljegyzett konverziós hatásfokot 24,7% érték el, melyet az Új-Dél-Walesi Egyetem PERL szerkezetű napeleme ért el. A főbb technológiai jellemzők közé tartozik az alacsony foszfor-adalékolás a szilícium felületén a felületi rekombináció csökkentése érdekében, a nagy koncentrációjú diffúzió az elülső és hátsó felületi elektródák alatt a jó ohmikus kontaktusok kialakítása érdekében, valamint a fotolitográfia alkalmazása az elülső felületi elektródák szűkítésére, ezáltal növelve a fényelnyelési területet. Ez a technológia azonban még nem iparosodott.
A hatékonyság javítására szolgáló további technikák közé tartozik a BP Solar felületi barázdált textúrázott cellái és a hátulról érintkező (EWT) technológia. Az előbbi 18,3%-os hatásfokot ér el lézeres barázdálással, amely csökkenti az elülső elektródák szélességét és növeli a fényelnyelést. Az utóbbi 21,3%-os hatásfokot ér el azáltal, hogy az elülső elektródákat hátrébb helyezi, növelve a fényelnyelő területet.
Vékonyrétegű napelemek
Míg a kristályos szilícium napelemek dominálnak nagy hatásfokuk miatt, költségük jelentős csökkentése kihívást jelent a szilícium anyag magas ára miatt. A vékonyrétegű napelemek, amelyek kevesebb anyagot használnak, költséghatékony alternatívaként jelentek meg. A vékonyrétegű cellák fő típusai a szilícium alapú vékonyréteg-cellák, a kadmium-tellurid (CdTe) cellák és a réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) cellák.
A szilícium alapú vékonyréteg-cellák mindössze 2 mikrométer vastagok, és a kristályos szilícium cellákhoz szükséges szilíciumanyag körülbelül 1,5%-át használják fel. A PN-átmenetek számától függően ezek a cellák lehetnek egy-, két- vagy többátmenetesek, amelyek mindegyike képes a napfény különböző hullámhosszainak elnyelésére. Az egyátmenetes cellák legnagyobb hatásfoka körülbelül 7%, míg a kétátmenetes celláké elérheti a 10%-ot.
A CdTe vékonyréteg-cellák jó fényelnyelő tulajdonságaiknak köszönhetően nagyobb hatásfokot kínálnak (akár 12%-ot). A kadmium rákkeltő jellege és a tellúr korlátozott természetes tartalékai azonban hosszú távú fejlesztési kihívásokat jelentenek.
A CIGS vékonyréteg-cellákat a nagy hatékonyságú vékonyréteg-technológia jövőjének tekintik. A gyártási folyamat módosításával javítható a fényelnyelésük, ami magasabb konverziós hatásfokot eredményez. Jelenleg a laboratóriumi hatásfok eléri a 20,1%-ot, míg a kereskedelmi termékeké 13-14%-ot, így a vékonyréteg-cellák közül a leghatékonyabbak.
Harmadik generációs sejtek
Elméletileg a harmadik generációs cellák magas konverziós hatásfokot érhetnek el. A HCPV kivételével a legtöbbjük még kutatási szakaszban van. A HCPV cellák jellemzően III-V félvezető anyagokat használnak, amelyek nagyobb hőállósággal rendelkeznek, és nagy megvilágítás mellett is magas konverziós hatásfokot tartanak fenn. A többszörös átmenetes struktúrák lehetővé teszik ezeknek a celláknak, hogy szorosan illeszkedjenek a napspektrumhoz, akár 68%-os elméleti hatásfokkal. A kereskedelmi termelés 40% feletti hatásfokot is elérhet.
A napelemek modulokba vannak tokozva, és alkalmazási területük a jellemzőiktől és a piaci igényektől függ. A korai alkalmazások közé tartoztak a kommunikációs bázisállomások és a műholdak, később pedig a lakóövezetekre, például a napelemes tetőkre is kiterjedtek. Ezekben a forgatókönyvekben a korlátozott telepítési területek és a nagy energiasűrűségi igények a kristályos szilícium modulokat részesítették előnyben. A nagyméretű naperőművek és az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek (BIPV) fejlődésével a költségmegfontolások a vékonyrétegű cellák alkalmazásának növekedéséhez vezettek. A környezeti és éghajlati viszonyok is befolyásolják a különböző technológiák elterjedését.
A napelemes fotovoltaikus technológia alkalmazásai
A napsugárzás felhasználható villamos energiává alakításához komplett napelemes rendszerre van szükség. A napelemek alkotják ennek a rendszernek az alapját, amely magában foglalja az invertereket, akkumulátorokat, felügyeleti rendszereket és elosztórendszereket is.
PV rendszer osztályozása és összetétele
A napelemes rendszereket hálózaton kívüli vagy hálózatra kapcsolt rendszerekként osztályozzák. A hálózaton kívüli rendszerek lehetnek önállóak vagy hibridek.
Az önálló rendszereket jellemzően távoli területeken, kommunikációs bázisállomásokon és napelemes utcai világításban használják, teljes mértékben napenergiára támaszkodva. Ilyenek például a napelemek, inverterek, vezérlők, akkumulátorok, elosztórendszerek és villámvédelem. Az akkumulátorok és a vezérlők jelentősen befolyásolják a rendszer költségeit és élettartamát. A hibrid rendszerek a napenergiát más forrásokkal, például dízelgenerátorokkal vagy szélturbinákkal ötvözik.
A hálózatra kapcsolt rendszerek, amelyeket általában napelemes tetőkhöz és nagyméretű fotovoltaikus erőművekhez használnak, nem igényelnek tárolóberendezéseket, így csökkentve a költségeket. Ezek a rendszerek magukban foglalják a napelemes modulokat, invertereket, elosztórendszereket, villámvédelmet és felügyeleti rendszereket. Jelenleg a hálózatra kapcsolt rendszerek teszik ki az összes napelemes alkalmazás 80%-át.
Egyéb fotovoltaikus energiatermelési technológiák
A napelemes technológia mellett az inverteres technológia, a hálózati integráció, a tárolás és az intelligens felügyelet kulcsfontosságú a fotovoltaikus energiatermelő rendszerek számára:
A napelemek kimeneti teljesítménye a napsugárzás intenzitásával változik, ami szakaszos működést okoz. A nagyléptékű hálózati integráció hatással lehet a hálózatra, ezért elengedhetetlen a hálózatvezérlés és a szigetüzem elleni védelem.
A napelemek kimenete egyenáram (DC), amelyet invertereken keresztül kiváló minőségű váltakozó árammá (AC) való átalakítással kell előállítani.
A modul teljesítményét olyan tényezők befolyásolhatják, mint a hőmérséklet és az árnyékolás, ami szükségessé teszi a rendszerfelügyeletet és a riasztórendszereket.
A távirányítású technológia létfontosságú a távoli területeken található fotovoltaikus erőművek számára.
Kína vezető szerepet tölt be a napelemmodulok gyártásában a minőség és a méret tekintetében. Az iparági láncon belül a magas profitú területek közé tartozik a szilíciumtisztítás, az inverterek, a felügyeleti rendszerek és a fotovoltaikus berendezések gyártása. Az áttörés elérése ezeken a kulcsfontosságú területeken kihívást jelent a kínai fotovoltaikus iparág számára.
A napelemes energiatermelés jelenlegi állapota és jövőbeli kilátásai
A magas költségek miatt a napelemes energiatermelés nagymértékű fejlődése csak a múlt század végén történt. A 21. századba lépve, a javuló hatékonysággal és a gyorsan csökkenő költségekkel a napelemes energiatermelés gyors növekedést mutatott, a beépített kapacitás évente nőtt. A globális éves beépített kapacitás 1,4 GW-ról (2000) 22,8 GW-ra (2009) emelkedett. Az olyan európai országok, mint Németország, Olaszország és Spanyolország, jelentős piacok, az EU pedig azt tervezi, hogy 2020-ra a napenergia részarányát a teljes villamosenergia-ellátás 12%-ára növeli. A fejlődő országok, mint Kína és India, szintén elindítottak napelemes fejlesztési terveket. A kommunikációs bázisállomásokon, a napelemes tetőkön és a fotovoltaikus erőműveken túl a napelemes energiatermelést ma már széles körben használják különféle mobil eszközökben.
Kiegészítő és alternatív energiaforrásként a napelemes fotovoltaikus technológia gyorsan fejlődik, a termelési költségek pedig csökkennek. A folyamatos technológiai fejlődésnek köszönhetően a napenergia, mint tiszta és megújuló erőforrás, a fenntartható fejlődés kulcsfontosságú energiaforrásává válhat.
