A magyar média több helyen is hírt adott ez év elején a 44,7%-os hatásfokú napelemes cella előállításáról, ami minden bizonnyal rekordot jelent. A hírrel azonban egy baj van, hogy a részben nem szakismereti alapon, illetve nem teljesen kidolgozott és úgy leközölt „legenda” miatt sajnos több olvasó gondolja, hogy végre itt vannak a nagy hatásfokú, igazi fotovillamos modulok. Ebben a kétrészes cikkben szeretném megmagyarázni az örvendetes hírnek kikiáltott rekord hatásfokú napelem mítoszát és tisztázni az általános elvárást.

A fotovillamos cella hatásfoka alatt a pillanatnyilag termelt elektromos teljesítmény és a besugárzott fény teljesítményének arányát értjük.

Tudatosan említettem a cella hatásfokát, mert az a laboratóriumi körülmények alatt mért és elérhető tulajdonsági adat. Az így elért teljesítményérték wattpeak, azaz „Wp” egységgel van ellátva. Ezeket az adatokat nevezzük standard STC-körülmények (Standard Test Conditions) alatt mért adatoknak, ahol:

AM = 1,5,
E = 1.000 W/m²,
T = 25 °C,

ahol:
AM, Air Mass: optikai légréteg
E: sugárzás nagysága 1.000 W/m˛
T: cellahőmérséklet (1. ábra)

Ez az adatmegadás nemzetközileg elfogadott standardértékelés a modulméretezésben.

A fotovillamos modulokat több ilyen, kb. 156x156 mmes cellából szerelik össze elektromos kontaktusok segítségével, amelyek általában 3 stringből (füzérből) állnak és így kapjuk meg a mindenki számára ismert moduladatokat, mint pl.: üresjárati-, illetve rövidzárlati feszültséget és az áramerősséget.

A modul hatásfoka mindig kisebb, mint a cella hatásfoka, ez adódik az első, sokszor 10-20 százalékkal kisebb, az összeszerelésből fakadó mechanikai pontatlanságokból és a cellákat elektromosan összekötő pályaszalagok, valamint a forrasztás ellenállásból. Tovább csökkenti a modul hatásfokát a lamináláskor a védőüvegre felhordott EVA kiöntő gyantarétegbe beágyazott cellák egymás közötti távolsága is, ami általában 2,5-3 mm és az automata (stringer) felépítéséből adódik (2. ábra).

Mivel a modul hatásfokánál mi Wp/m²-t értünk, így már érthető, hogy még miért is kisebb a modul hatásfoka a benne lévő cella hatásfokánál. Általánosságban minket csak a modul hatásfoka érdekel.

Minél magasabb a modul hatásfoka, annál kisebb lehet a napelemes rendszer egységnyi teljesítményhez igényelt felülete. A hatásfok figyelembevételénél magát az alkalmazandó rendszert kell megvilágítanunk. Egyes komponens technikai és elektromos értékei hőmérsékletfüggőek. Például 10-35%-ot is csökkenhet a napelemes cella hatásfoka, amennyiben annak hőmérséklete 25 °C fölé emelkedik. Ezért nagyon sok napelemes rendszer nem éri el azt az elvi csúcsteljesítményt (Wp) nyáron, amit laboratóriumi körülmények között mértek.

A mai napelemes modulok nem nyelik el a hozzánk érkező különböző hullámhosszúságú napsugár minden egyes részét, így azokat egyszerűen visszatükrözik. Szilícium esetén gyakori eljárás a felület oxidálása. Az átlátszó, színtelen oxid, vastagságától függően különféle interferenciaszíneket mutat. A beeső fény viszonylag kis része verődik vissza a feketés, sötét ibolyaszínű oxidált felületről. Ezért általában már antireflexiós réteggel ellátott védőüvegekkel látják el a modulok Nap felé néző felületét. Ezek az üvegborítások messzemenően csökkentik ezt a reflexiót (visszatükrözést), különösen a fekete szilíciumos modulok képesek azeket a reflexiókat csökkenteni. Az ilyen felület kialakításához kb. 0,1 mikrométer vastagságú szilícium-dioxid réteg szükséges.

A mai modern technológiával gyártható és piacérett napelemes modulokkal elérhető hatásfokok a következőek:

• organikus cellák: 10,6%,
• vékonyfilmes modulok amorf szilíciumból kb. 5-13%,
• vékonyfilmes modulok kadmium-telluridból (CdTe) kb. 13%,
• polikristályos szilíciumcellák 13-18-20%.

Vannak továbbá az új technológiájúak, az ún. koncentrátoros napelemes cellák (CPV, illetve a HCPV), amelyekkel laboratóriumi körülmények között több, mint 40 %- os hatásfokot is elértek már (3. ábra).

A koncentrátoros napelemes modulok hatásfoka emelkedik a megvilágítás intenzitásával, de a fénysugár nyalábolása miatt csak napkövetős rendszerekben lehetséges gazdaságosan telepíteni. Alkalmazásuk ezért is csak az olyan régiókban ajánlatos, ahol a napfény közvetlen besugárzását hatékonyan ki tudjuk használni (4. ábra).

Ezen kívül kísérleti stádiumban van a többrétegű (4- 5 réteges) napelemes cellák kereskedelmi célra történő gyártásának tökéletesítése. Ezek a cellák, mint a nevük is mondja, több fényabszorbeáló rétegből állnak, amelyek a Nap sugarainak spektrumát szélesebb sávban képesek hasznosítani és ezáltal a hatásfok emelésére képesek.

A hagyományos szilícium alapú cellák elsősorban a napfény látható, vörös spektrumát nyelik csak el, és a kék spektrumrész hő formájában elvész (5. ábra).

Az U.S. Naval Research Laboratory (NRL) által 2012-ben kikísérletezett 3-rétegű és több félvezetőből álló ún. multi szolárcella laboratóriumi hatásfoka 44% (6. ábra).

Jelenleg az 50%-os hatásfok határát kívánják áttörni.

A modulok, és így az egész napelemes rendszer hatásfokát több adott és adódó tényező is befolyásolja, amit vagy nem változtathatunk már meg, de megelőzhetjük, vagy szereléstől függően befolyásolhatjuk őket. Ezeket szeretnénk a következő cikkben bemutatni a tisztelt olvasóinknak.

(folytatjuk)

***

1. ábra. A modul elektromos jellemzőinek hőmérsékletfüggősége
2. ábra. Kontaktálás és cellakapcsolás automata soron
3. ábra. Európában egyedülálló: koncentrátoros fotovillamos elem Németországból
4. ábra. A fókuszáláshoz előkészített többlépcsős lencserendszer kísérleti cellája, © AZUR Space
5. ábra. A Nap sugárzási spektruma, a légkör által szűrt, a tengerszinten mutatkozó napszínképpel
6. ábra. A rekordhatásfokot ígérő réteges felépítés, fotó: U.S. NRL