A napenergia-termelés, mint vezető tisztaenergia-megoldás, jelentős figyelmet kapott az iparágból. Ha érdekel, merüljünk el a napelemek szerkezetében és a kapcsolódó fotovoltaikus anyagokban.
A napelemek, amelyeket gyakran napelemeknek is neveznek, közvetlenül alakítják át a napfényt elektromos árammá. A napelemekben a napból származó fotonok elektronokat lazítanak le a félvezető anyagok atomos kötéseiről. Amikor ezeket az elektronokat ugyanabba az irányba mozgatják, elektromos áramot generálnak, amely vagy elektronikus eszközöket képes működtetni, vagy az elektromos hálózatba táplálható.
Amióta a francia fizikus, Alexandre-Edmond Becquerel 1839-ben először elméletet alkotott a fotovoltaikus technológiáról, a napenergia-termelés kulcsfontosságú kutatási téma. Napjainkban, az Egyesült Államok, Japán és Európa jelentős kutatócsoportjainak felgyorsításával napelemes rendszereik kereskedelmi forgalomba hozatala során a fotovoltaikus iparág nemzetközi piaca folyamatosan bővül.
Fotovoltaikus modulok
Bár a fotovoltaikus rendszerekben használt anyagok eltérőek lehetnek, minden modul több rétegből áll, az elülső oldaltól a hátulsó oldalig. A napfény először egy védőrétegen (általában üvegen) áthalad, majd egy átlátszó kontaktrétegen keresztül magába a cellába jut. A modul közepén található az abszorber anyag, amely a fotonokat befogva elektromos áramot generál. A használt félvezető anyag típusa a fotovoltaikus rendszer konkrét igényeitől függ.
Az abszorber anyag alatt található a hátlapi fémréteg, amely lezárja az elektromos áramkört. A fémréteg alatt egy kompozit filmréteg található, amely vízállóvá és szigeteli a modult. A fotovoltaikus modulokat gyakran egy további védő hátlapi réteggel látják el, amely üvegből, alumíniumötvözetből vagy műanyagból készül.
Félvezető anyagok
A fotovoltaikus rendszerekben használt félvezető anyagok lehetnek szilícium, polikristályos vékonyrétegek vagy monokristályos vékonyrétegek. A szilícium anyagok közé tartozik a monokristályos szilícium, a polikristályos szilícium és az amorf szilícium. A monokristályos szilícium szabályos szerkezetével nagyobb fotovoltaikus konverziós hatásfokkal rendelkezik, mint a polikristályos szilícium.
Az amorf szilíciumban a szilíciumatomok véletlenszerűen oszlanak el, ami alacsonyabb konverziós hatékonyságot eredményez a monokristályos szilíciumhoz képest. Az amorf szilícium azonban több fotont képes befogni, és olyan elemekkel, mint a germánium vagy a szén, ötvözése ezt a tulajdonságot fokozhatja.
A réz-indium-diszelenid (CIS), a kadmium-tellurid (CdTe) és a vékonyréteg-szilícium gyakran használt polikristályos vékonyréteg-anyagok. A nagy hatékonyságú anyagok, mint például a gallium-arzenid (GaAs), gyakran tartalmaznak monokristályos szilícium vékonyrétegeket. Ezeket az anyagokat speciális fotovoltaikus alkalmazásokhoz választják ki olyan egyedi tulajdonságok alapján, mint a kristályosság, a sávszélesség mérete, az abszorpciós képesség és a könnyű feldolgozhatóság.
A félvezetőket befolyásoló külső tényezők
A kristályszerkezet atomjainak elrendeződése határozza meg a félvezető anyagok kristályosságát, ami közvetlenül befolyásolja a napelemek töltéstranszportját, áramsűrűségét és energiaátalakítási hatékonyságát. A félvezető anyagok tiltott sávja azt a minimális energiát jelenti, amely ahhoz szükséges, hogy az elektronok kötött állapotból szabad állapotba (amely lehetővé teszi a vezetést) kerüljenek mozgatásra. A tiltott sáv, amelyet általában Eg-vel jelölnek, a vegyértéksáv (alacsony energia) és a vezetési sáv (nagy energia) közötti energiakülönbséget írja le.
Az abszorpciós együttható számszerűsíti azt a távolságot, amelyet egy adott hullámhosszú foton képes behatolni egy közegbe, mielőtt elnyelődik. Ezt a sejt anyaga és az elnyelt foton hullámhossza határozza meg.
A különféle félvezető anyagok és eszközök feldolgozásának költsége és egyszerűsége számos tényezőtől függ, beleértve a felhasznált anyagok típusát és méretét, a gyártási ciklusokat és a leválasztó kamrában lévő cella migrációs jellemzőit. Mindegyik tényező kulcsfontosságú szerepet játszik a fotovoltaikus energiatermelési igények kielégítésében.
