Napelem rendszer

A napelemek alapanyaguktól és technológiájuktól függően különböző hatásfokkal képesek villamos energiát termelni.

A hatásfok ( η {displaystyle eta } eta , “eta”) százalékosan fejezi ki, hogy a napelem mennyi napenergiát alakít át elektromos energiává.

A napelemek fajtái

Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg:

Kristályos napelemek: a mono- és polikristályos technológiával készülő napelemek napjainkban a legelterjedtebb napelem-technológiának számítanak. A szilícium félvezetőn alapuló elemeket 1954-ben mutatták be.

Monokristályos szilícium napelemek: a szilíciumot drágák, de hatékonyak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napelemek esetében). Legnagyobb teljesítményét merőlegesen beeső napfénynél képes leadni, így gyakran használják ún. napkövető berendezések részeként.

Polikristályos szilícium napelemek: Némileg olcsóbbak, ám kevésbé hatékonyak. Hatásfokuk 15% körül van. A gyengébb (reggeli, esti, szórt) fényt is viszonylag jó hatásfokkal képes hasznosítani.

Gallium-arzenid vegyületen alapú napelemek: Bár eddig főleg műholdakon használták, és egyetlen rétegben alkalmazva nem gazdaságosak, de akár 8 db réteget (p-n átmenetet) is építhetnek egymásra. Így a hatásfok eléri a 46%-ot is koncentrált napfényben: ilyen már alkalmazásban volt 2014. november végén.
Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak, de hatásfokuk csak 5-8%. Kevesebb szilícium kell a gyártáshoz, mint az egykristályos esetében, mert az aktív réteg csak 1 µm vastag.

Egyéb vegyület-félvezető alapú napelemek: A hatásfokuk kevesebb mint 15%. Példa: kadmium-tellurid, a réz-indium-diszelenid (CIS) és a réz-indium-gallium-szelenid napelemek. Előállításukhoz kevés félvezető alapanyag szükséges, mert az aktív réteg csak 1-2 µm vastag.

Szerves festék alapú napelemek: Elektrokémia elven működnek, a fényelnyelő anyag egy szerves festék. A hatásfoka csak 2-4%, azonban a gyártása rendkívül olcsóvá válhat a jövőben.

Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%

Szerves-szervetlen perovszkitek alapján készült napelemek kísérleti teljesítménye elért 20%-ot, nagyon gyors fejlődéssel, alacsony gyártási költséget ígérve. Ezek egyes fejlesztők szerint már 2017-ben piacon lesznek.[24] Lásd a Hatásfok fejezet ábráját is, ahol a piros színű vonalak üres körökkel ábrázolják a fejlődést. (Az angol nyelvű Wikipédia grafikonja)

Az Európai Unió által finanszírozott CPVMatch projektben (kilenc (német, olasz, spanyol és francia) kutatóintézet, illetve ipari cégek kutatómunkáját – a freiburgi Fraunhofer ISE koordinálta) a fényt optikai lencsékkel kis napelemekre koncentrálják. A kísérleti rendszer két tengelyes napkövető mechanizmussal a Napra irányul. Hatásfoka 41,4%.

A hatásfok növelésére van lehetőség, ami bonyolultabb technológiát igényelhet; logikusan ez drágább lenne elhanyagolva a technológia ugrásszerű fejlődésének lehetőségét. Így az elméleti hatásfok limit (33,7%) átléphető, ha például több vékony napelem réteget (p-n átmenetet) építünk egymásra, melyek lépésenként egyre rövidebb fényhullámhosszra érzékenyek. A hatásfok tovább növelhető, ha nagyobb fénykoncentrációval (500X) üzemelünk optikai lencsék, vagy tükrök alkalmazásával.

Manapság a kutatás és fejlesztés nem korlátozódik kizárólag nagyobb hatásfok elérésére, inkább a hatásfok x élettartam/gyártási költség irányába terjed azzal a céllal, hogy a megtérülési idő minél rövidebb legyen. Ez a cél vékony-filmek alapján készített elemek alkalmazásával érhető el: ezek egyedi hatásfoka alacsonyabb, de több réteg is összeépíthető és előállítási költségük sokszorta kisebb mint a hagyományos szilíciumra alapozott elemeké.