Napelemes rendszerek: egykristályos és polikristályos típusok

Monokristályos napelem vagy polikristályos napelem?
fotovillamos rendszer, fotoviltaikus napelemes rendszerek

Fotovillamos rendszer

Sokaknak szerencsére a napelemet nem kell bemutatni, hiszen pontosan tudják, hogy mit is takarnak ezek a rendszerek, miért annyira felkapottak és mi teszi őket az egyik legkeresettebb energiahasznosító kellékekké. Azonban vannak egyesek, akik nem igazán hallottak ezekről. Nos, tudni kell, hogy napelem, vagy ahogy még nevezik, fotovillamos elem, egy olyan szilárdtest eszköz, amelyik a fotonbefogást, tehát az elektromágneses sugárzást közvetlenül villamos energiává alakítja. Ennek a komplex folyamatnak az alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskék jönnek létre, amiket a rendszerben elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít. Ez magyarán szólva annyit jelent, hogy elektromos áram jön létre.

Érdekességként fontos megjegyezni, hogy ez a folyamat bármilyen megfelelő fényspektrummal rendelkező fényforrás esetén is lezajlik, és nem csak a napfény az, amelyik ezt a jelenséget képes végrehajtani. Természetesen a valóságban a Nap és annak fénye az, amire alapozni lehet. Manapság már a napelemes rendszerek annyira fejlettek és tartósak lettek, hogy ezekre legtöbbször 25 év a garancia, és az élettartamuk elérheti a 40 évet is. És itt fontos megjegyezni, hogy ez az ipar elképesztően nagy fejlődéseken esik át, éves szinten, ezért bátran kijelenthető, hogy a napenergia hasznosításában hosszabb távon számottevő növekedés várható.

Napelem típusok

Mielőtt bárki is megvenne egy napelemet, szeretné tudni, hogy mi közül választhat és melyik az, amelyik teljes mértékben beválik, teljesítményben és hatékonyságban egyaránt. A napelemeket két nagy fő csoportra lehet osztani: monokristályos és polikristályos.

Egykristályos (monokristályos) napelem rendszerek

Az egykristályos, azaz mono típus egy folytonos rácsszerkezetű kristályt takar, amelyben az atomok szabályos geometriai rendben helyezkednek el. Az ideális egykristályban nincsenek rácshibák és egyéb ilyen gondok. A hibamentességből adódóan az egykristályoknak egyedülálló tulajdonságaik vannak, különösen elektromos, mechanikai és optikai szempontból. Ezen adottságok, természetesen a berendezés szerkezetétől függően lehetnek anizotropok is.

Ezeket a kristályrácsba beépített idegen atomok is befolyásolhatják, akárcsak a szennyezett kristályok. Ezeknek hátránya lehet, hogy az előállítás igen bonyolult, és a természetben sem figyelhető meg, csakis nagyon ritka esetben, az egykristályok előfordulása. Ennek az oka, hogy az entrópikus hatás miatt kialakuló inhomogenitások, szennyezések, rácshibák gyakran előfordulhatnak. A lehető legspeciálisabb eszközökkel, laboratóriumban sem könnyű feladat előállítani egykristályt, de elvégezhető megfelelő ellenőrzés mellett. A természetben több nagy méretű, nem teljesen tiszta kristály található, akárcsak a berill, gipsz, földpátok.

Az alapanyagát tekintve a felvezető iparban a legelterjedtebbnek a szilícium és kisebb részben a germánium egykristály nevezhető. A félvezető eszközök készítéséhez felhasznált kristályok általában egykristályos szerkezetűek. Ezen kristályok tulajdonságait a kristályrácsba beépített idegen atomok befolyásolhatják. A szubsztitúciósan beépült atomok elsősorban az elektromos vezetési tulajdonságokat módosítják, míg az intersztíciósan beépült szennyezők a szabad töltéshordozók élettartamát csökkentik. A beépített szennyező anyagokkal jól befolyásolhatók a félvezető tulajdonságai. A mikroprocesszor gyártás során egyre nagyobb egykristályokat fejlesztettek ki.

Amint az említésre került, az egykristályok előállítása lassú folyamat és igen drága berendezéseket igényel a nagy tisztaság és az állandó felügyelet miatt. Csakis nagyon modern és egyedülálló technikákkal, eljárásokkal állítható elő az egykristály. Az eljárások közé tartozik a Czochralski és a Bridgman technika. Említést érdemel még az, hogy az epitaxiális eljárással is lehet egykristályokat növeszteni. A növesztett réteg úgy épül fel a hordozó felületén, hogy annak kristályszerkezetét követi, az egykristályos hordozón egykristályos epitaxiális réteg keletkezik. Ha a hordozó és a növesztett réteg azonos anyagú, homoepitaxia, ha különböző anyagú, heteroepitaxia az eljárás neve. Az eljárás a félvezetőiparban elterjedt. Azért választják sokan ezeket, mert jelenleg ez a típusú napelem képes a legnagyobb hatásfokkal napenergiát villamos energiává alakítani. Ez elérheti a 17%-ot is, ami igen jónak tekinthető.

Polikristályos napelem rendszerek

A másik nagy csoportba a polikristályos tartozik. Itt szintén több cellából felépülő napelemről van szó, azonban ahogy a neve is mutatja, itt nem egy, hanem több kristály alkotja a rendszert. Ez speciális öntési technikával készül.  Gyártási technológiája hasonló a félvezetők gyártásához, mint a tranzisztorok, processzorok, memóriák. A polikristályos alapanyagot speciális, úgynevezett irányított lehűlési gradiensű öntési eljárással nyerik a tisztított szilíciumból. A kiöntött polikristályos tömböt öntecsnek nevezik. A polikristályos anyagszerkezet tulajdonképpen oszlopos egykristályszemcsék együttesét jelenti, tehát nem homogén egykristály. Az öntési eljárás jelentős energiamegtakarítást jelent az egykristályhúzáshoz képest, ugyanakkor nagy, 500 mm-nél nagyobb élhosszúságú hasáb alakú polikristálytömbök gyártását teszi lehetővé. A szilícium öntvényt szétfűrészelik vékony lapokra. A szétfűrészelés jelentős veszteséggel jár, mert a vágás során a cellák kb 40%-a széttörik és használhatatlanná válik. A téglalap alakú cellák többszöri hőkezelés és felületkezelés után képesek a megadott hatásfok elérésére. A cellák kezelése után forrasztják rá az ónszalagot, laminálják és megkapja az alumínium keretet.

A gyártási folyamat végén tesztelik. A teszt két részből áll. Egyrészt magában foglalja a termelési adatok ellenőrzését egy úgynevezett napszimulátor segítségével, másrészt vizsgálják a külső hatásokkal szembeni ellenállását, pl jégeső. Külsőleg kékes-lila színnel rendelkezik. Mivel előállítási költségük alacsonyabb, mint monokristályos társaiké, Magyarországon az egyik legelterjedtebb típusnak számítanak. Még akkor is, amikor egyértelműen hatásfokkal működnek, nagyjából 13%. Ez a polikristályos típus, a tájolásra és dőlésszögre kevésbé érzékeny, így a napelemes rendszerek telepítésekor, szélesebb felhasználási lehetőséget nyújt. Az ára kedvezőbb, mint a monokristályos típusé. Napjainkban a világon jelenleg ebből a típusból épül fel a legtöbb erőmű és háztartási méretű napelemes rendszer.

Az egykristályos és a polikristályos összehasonlítsa: melyik a jobb napelem?

Monokristályos napelem és a polikristályos napelem

Monokristályos napelem és a polikristályos napelem

Természetesen az olvasottak alapján a legfontosabb kérdés az, hogy melyik éri megvenni, melyik az, amelyik több évtized után is toppon marad. A szakértők például úgy vélik, hogy már jó ideje látszik, hogy a mostani technológiákkal nincs már komolyabb tartalék a gyártásban a költségek csökkentésére, a teljes gyártási láncban minden szereplő minimális profittal termel. Így további költségcsökkentést csak a technológiai fejlesztések hozhatnak, amivel vagy a gyártási költséget tudják csökkenteni a gyártók, vagy a hatásfokot növelni azonos költség mellett: mindkettő javíthatja a végső EUR / Watt árat.

Emellett például a mono technológia komoly gondokkal szembesült tavaly, a gyártási költségeket tekintve a hagyományos, Czochralski húzással készült mono cellák egyszerűen nem bírták a versenyt a polikristályos cellák árcsökkenésével – és így egyre több gyártónál csökkent a mono modulok aránya. Egyes nagyobb cégek például egyszerűen be is szüntették a mono modulok gyártását. Úgy tűnt, hogy a monokristályos cellák ideje leáldozott, majdnem 60 év után. De a kvázi-mono megoldással, továbbfejlesztett formában, mégiscsak lehet jövője a mono technológiának.

2017-ben azonban biztonságosan kijelenthető, hogy a megszokott polikristályos modulok jelentik a fő irányt, költség oldalon verhetetlen, ráadásul jól kipróbált technológia is. Azonban, hogy mit hoz a jövő, milyen fejlesztéseken megy át a kettő, nem lehet tudni. Az még azért említést érdemel, hogy a melegebb éghajlatú területekre jobban ajánlott a polykristályos napelem, míg máshol a monokristályos teljesít jobban, illetve a monokristályos napelemek hatásfoka egy kicsit jobb. Magyarországon azonban nincs igazán különbség a két típusú napelem között. A mi éghajlatunkon gyakorlatilag mindegy, hogy monokristályos, vagy polikristályos napelem kerül telepítésre.

Hozzászólás

Az email címet nem jelenítjük meg sehol.