A fotovoltaikus cellák, a napelemek alapvető építőkövei, a napfény energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítják. Ez a folyamat, a fotovoltaikus hatás, a fény részecskéinek, a fotonoknak a kölcsönhatásán alapul bizonyos anyagokkal, leggyakrabban félvezetőkkel, mint például a szilícium.
Amikor a napfény eléri a napelem felületét, a fotonok energiát adnak át az atomoknak a félvezető anyagban. Ez az energia felszabadítja az elektronokat az atomi kötéseikből, lehetővé téve számukra, hogy szabadon mozogjanak az anyagban. Fontos megjegyezni, hogy ez a folyamat nem hőtermeléssel jár, hanem közvetlen energiaátalakítással.
A napelemekben egy speciális szerkezetet alkalmaznak, amely egy p-n átmenetet tartalmaz. Ez egy olyan határfelület, ahol a félvezető anyag két különböző módon van adalékolva: az egyik oldalon pozitív töltéshordozók (lyukak) vannak túlsúlyban (p-típusú), a másikon pedig negatív töltéshordozók (elektronok) (n-típusú). A p-n átmenetben egy elektromos mező alakul ki, amely elválasztja a felszabadult elektronokat és lyukakat, irányítva őket a megfelelő elektródák felé.
A napenergia korlátlan és tiszta energiaforrás, ezért a fotovoltaikus cellák kulcsszerepet játszanak a fenntartható energiatermelésben és a klímaváltozás elleni küzdelemben.
Az elektródákhoz eljutó elektronok áramot képeznek, amelyet aztán felhasználhatunk elektromos berendezések működtetésére vagy az elektromos hálózatba való betáplálásra. A napelemek hatékonysága függ a felhasznált anyagok minőségétől, a cella kialakításától és a napfény intenzitásától.
A fotovoltaikus cellák folyamatos fejlesztése lehetővé teszi a hatékonyabb és olcsóbb napelemek gyártását, ami hozzájárul a napenergia elterjedéséhez és a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség csökkentéséhez.
A fotovoltaikus hatás alapjai: A fény és az anyag kölcsönhatása
A napelemek működésének alapja a fotovoltaikus hatás, melynek során a fény energiája közvetlenül elektromos árammá alakul. Ez a folyamat a fény és az anyag kölcsönhatásán alapul, konkrétan a fény (fotonok) és a félvezető anyagok, leggyakrabban szilícium kölcsönhatásán.
Amikor egy foton eltalál egy szilícium atomot, energiája átadódhat az atomnak. Ha a foton energiája elegendő, képes kilökni egy elektront a kötéséből, létrehozva egy szabad elektront és egy pozitív töltésű „lyukat”. Ezek a töltéshordozók (elektronok és lyukak) a fotovoltaikus hatás lényegi elemei.
A napelemekben a szilíciumot úgy kezelik (dopálják), hogy két különböző réteget hozzanak létre: egy n-típusú réteget, melyben többlet elektronok vannak, és egy p-típusú réteget, melyben többlet lyukak vannak. A két réteg találkozásánál egy p-n átmenet jön létre, ami egy elektromos mezőt generál.
Továbbiak a témában
A p-n átmenetben létrejövő elektromos mező kulcsfontosságú szerepet játszik abban, hogy a fény által generált elektronok és lyukak szétváljanak és egy irányba áramoljanak, létrehozva az elektromos áramot.
Amikor fény éri a napelemet, az elektronok és lyukak a p-n átmenet elektromos mezője által szétválasztódnak. Az elektronok az n-típusú rétegbe, a lyukak pedig a p-típusú rétegbe vándorolnak. Ez a töltésszétválasztás egy potenciálkülönbséget hoz létre a napelem két oldala között, ami lehetővé teszi az elektromos áram folyását, ha egy külső áramkört csatlakoztatunk hozzá.
Fontos megjegyezni, hogy a fotovoltaikus hatás hatékonysága függ a fény hullámhosszától (színétől) és intenzitásától. A szilícium a látható fény és a közeli infravörös tartományban a leghatékonyabb. A napelemek tervezése során törekednek arra, hogy minél több fényt nyeljenek el és alakítsanak elektromos energiává.
A félvezetők szerepe a napelem működésében
A napelemek működésének alapja a félvezetőkben rejlő különleges tulajdonság. A leggyakrabban használt félvezető anyag a szilícium (Si). A tiszta szilícium kristályrácsában minden szilícium atom négy másik szilícium atommal létesít kovalens kötést, ami stabil szerkezetet eredményez. Ebben az állapotban a szilícium szigetelőként viselkedik, mivel nincsenek szabadon mozgó töltéshordozók.
A napelemekben azonban nem tiszta szilíciumot használnak. A szilíciumot adalékolják, azaz kis mennyiségű szennyező anyagot juttatnak bele. Ezzel megváltoztatják az elektromos tulajdonságait. Kétféle adalékolás létezik: n-típusú és p-típusú.
Az n-típusú szilíciumot olyan elemekkel adalékolják, mint a foszfor (P) vagy az arzén (As). Ezek az elemek öt vegyértékelektronnal rendelkeznek, így a szilícium kristályrácsába beépülve egy felesleges elektron marad, amely szabadon mozoghat. Ez az elektronnegatív töltéshordozókat, azaz elektronokat hoz létre.
A p-típusú szilíciumot olyan elemekkel adalékolják, mint a bór (B) vagy a gallium (Ga). Ezek az elemek három vegyértékelektronnal rendelkeznek, így a szilícium kristályrácsába beépülve egy elektronhiány, azaz egy „lyuk” keletkezik. Ez a lyuk pozitív töltéshordozóként viselkedik, mivel az elektronok könnyen mozoghatnak a lyukakba, ezzel lényegében a lyuk „mozog”.
A napelemben az n-típusú és p-típusú szilícium rétegek találkozásánál egy ún. p-n átmenet jön létre, ami a napelem működésének kulcsa.
A p-n átmenetnél az elektronok az n-típusú rétegből a p-típusú rétegbe diffundálnak, ahol betöltik a lyukakat. Hasonlóképpen, a lyukak a p-típusú rétegből az n-típusú rétegbe diffundálnak. Ez a diffúzió egy elektromos mezőt hoz létre az átmenetnél, amit térrétegnek neveznek. A térréteg megakadályozza a további elektronok és lyukak diffúzióját, amíg fény nem éri a napelemet.
Amikor fény éri a napelemet, a fotonok energiája elegendő lehet ahhoz, hogy elektronokat szakítson ki a szilícium atomokból, létrehozva elektron-lyuk párokat. A térréteg az elektronokat az n-típusú rétegbe, a lyukakat pedig a p-típusú rétegbe tereli. Ez a töltésszétválasztás feszültséget hoz létre a napelemben. Ha egy külső áramkört kapcsolunk a napelemhez, az elektronok az áramkörön keresztül áramlanak a p-típusú rétegbe, ahol újra egyesülnek a lyukakkal, ezzel elektromos áramot generálva.
A p-n átmenet kialakulása és működése napelemekben
A napelemek működésének kulcsa a p-n átmenet, mely egy félvezető anyagban (általában szilícium) létrehozott határfelület, ahol egy p-típusú (pozitív töltéshordozó többlettel rendelkező) és egy n-típusú (negatív töltéshordozó többlettel rendelkező) réteg találkozik. Ez a találkozás nem csupán a két anyag fizikai érintkezése; egy bonyolultabb folyamat eredménye, amely az elektromos mező kialakulásához vezet.
A p-típusú félvezetőben az „lyukak” (elektronhiányok) a domináns töltéshordozók, míg az n-típusúban az elektronok. Amikor a két anyag érintkezik, a koncentrációkülönbség miatt az elektronok diffundálnak az n-típusú rétegből a p-típusúba, a lyukak pedig a p-típusúból az n-típusúba. Ez a diffúzió töltésszétválasztást eredményez, melynek következtében egy belső elektromos mező alakul ki az átmenet közelében.
Ez az elektromos mező egy „kiürülési réteget” hoz létre, ahol a mozgékony töltéshordozók (elektronok és lyukak) száma jelentősen lecsökken. A kiürülési rétegben az elektromos mező megakadályozza a további diffúziót, egyensúlyi állapotot teremtve. Fontos megjegyezni, hogy a p-n átmenet nem egy egyszerű vezető; egy egyirányú szelephez hasonlítható az elektromos áram számára.
A p-n átmenetben kialakuló elektromos mező az, ami a beeső fény energiájából származó elektronokat és lyukakat szétválasztja, és ezáltal elektromos áramot generál.
Amikor fény (fotonok) éri a napelem felületét, az energiájuk elegendő lehet ahhoz, hogy elektronokat szakítson ki a szilícium atomjaiból. Ez elektron-lyuk párokat hoz létre. A p-n átmenetben lévő elektromos mező azonnal szétválasztja ezeket a párokat: az elektronokat az n-típusú rétegbe, a lyukakat pedig a p-típusú rétegbe tereli. Ez a töltésszétválasztás feszültséget hoz létre a napelem kivezetései között.
Ha egy külső áramkört kapcsolunk a napelemhez, az elektronok az n-típusú rétegből az áramkörön keresztül a p-típusú rétegbe áramlanak, ezzel elektromos áramot generálva. A napelem által termelt áram mennyisége a beeső fény intenzitásától és a napelem hatásfokától függ.
A fotonok elnyelése és az elektron-lyuk párok keletkezése
A napelem működésének alapja a fotovoltaikus hatás, melynek első lépése a napfény, azaz a fotonok elnyelése a napelem anyagában. Leggyakrabban szilíciumot használnak erre a célra, amely egy félvezető. Amikor egy foton eltalálja a szilícium atomjait, átadhatja az energiáját egy elektronnak.
Ahhoz, hogy egy elektron kiszabaduljon a kötéséből és elektromos áramot hozzon létre, a foton energiájának el kell érnie, vagy meg kell haladnia az adott félvezető sávszélességét. Ha a foton energiája kisebb, akkor egyszerűen hővé alakul, és nem járul hozzá az áramtermeléshez. Ha viszont elegendő energiája van, az elektron kiszabadul a kötéséből, és „szabad elektronná” válik.
Ezzel egyidejűleg, ahol az elektron korábban volt, egy „lyuk” keletkezik. Ez a lyuk pozitív töltésűnek tekinthető, és képes mozogni a kristályrácsban, mintha egy pozitív töltésű részecske lenne. Így jön létre az elektron-lyuk pár.
A fotonok elnyelésekor keletkező elektron-lyuk párok kulcsfontosságúak a fotovoltaikus hatás szempontjából, mivel ezek képezik az elektromos áram alapját a napelemben.
Azonban a keletkezett elektronok és lyukak hajlamosak rekombinálódni, azaz újraegyesülni, mielőtt eljutnának a napelem külső áramkörébe. Ezért van szükség a napelemben egy beépített elektromos mezőre, ami szétválasztja az elektronokat és lyukakat, és irányított mozgásra kényszeríti őket.
A napelemekben található p-n átmenet (p-típusú és n-típusú félvezetők találkozása) hozza létre ezt az elektromos mezőt. A p-típusú félvezetőben lyukak vannak túlsúlyban, míg az n-típusúban elektronok. Amikor a két anyag találkozik, az elektronok diffundálnak az n-típusúból a p-típusúba, a lyukak pedig fordítva. Ez a diffúzió egy elektromos mezőt hoz létre az átmenetnél, ami szétválasztja a fotonok által generált elektron-lyuk párokat.
A töltésszétválasztás mechanizmusa a p-n átmenetben
A napelem működésének kulcsa a p-n átmenetben létrejövő töltésszétválasztás. Amikor egy p-típusú (lyuk többlettel rendelkező) félvezetőt egy n-típusú (elektron többlettel rendelkező) félvezetővel érintkeztetünk, diffúzió indul meg. A lyukak a p-oldalról az n-oldalra, az elektronok pedig az n-oldalról a p-oldalra vándorolnak.
Ez a diffúzió nem tart a végtelenségig. Ahogy a lyukak az n-oldalra jutnak, rekombinálódnak az ott lévő elektronokkal, és fordítva. Ez a rekombináció egy térrész kialakulásához vezet az átmenet közelében, ahol a mozgékony töltéshordozók (elektronok és lyukak) kiürülnek. Ez a térrész a kiürülési réteg vagy térfogati töltésréteg.
A kiürülési rétegben rögzített töltések maradnak: a p-oldalon negatív ionok (akceptorok, melyek elektronokat vettek fel), az n-oldalon pedig pozitív ionok (donorok, melyek elektronokat adtak le). Ezek a rögzített töltések egy belső elektromos teret hoznak létre, ami az n-oldalról a p-oldalra mutat.
Ez a belső elektromos tér az, ami megakadályozza a további diffúziót és a töltésszétválasztás alapját képezi.
Amikor fény éri a napelem felületét, a fotonok energiája elektron-lyuk párokat generál a félvezető anyagban. Ezek az elektron-lyuk párok a kiürülési rétegbe jutva a belső elektromos tér hatására szétválasztódnak. Az elektronok az n-oldalra, a lyukak pedig a p-oldalra sodródnak.
Ez a töltésszétválasztás egy feszültségkülönbséget hoz létre a napelem két oldala között. Ha egy külső áramkört kapcsolunk a napelemre, az elektronok az n-oldalról az áramkörön keresztül a p-oldalra áramlanak, ahol rekombinálódnak a lyukakkal, létrehozva ezzel az elektromos áramot.
Fontos megjegyezni, hogy a napelem hatásfoka nagyban függ a p-n átmenet minőségétől és a kiürülési réteg tulajdonságaitól. Minél hatékonyabban választjuk szét a töltéseket, annál több elektromos energiát tudunk kinyerni a napfényből.
A diffúziós áram és a drift áram egyensúlya
A p-n átmenet kialakulásakor a diffúziós áram és a drift áram egyensúlya alapvető fontosságú a napelem működésében. A diffúzió a töltéshordozók (elektronok és lyukak) koncentrációkülönbségből adódó mozgása. A p-oldalon magas a lyukak, az n-oldalon pedig az elektronok koncentrációja. Ennek következtében a lyukak az n-oldal felé, az elektronok pedig a p-oldal felé diffundálnak.
Ez a diffúzió egy úgynevezett tértöltési zónát hoz létre az átmenet körül. A diffundáló töltéshordozók maguk után hagyják az ellentétes töltésű, rögzített ionokat a kristályrácsban. A p-oldalon negatív, az n-oldalon pedig pozitív töltésű ionok halmozódnak fel, létrehozva egy elektromos teret.
Ez az elektromos tér a drift áram kialakulásához vezet, ami a töltéshordozók mozgása elektromos tér hatására. A drift áram iránya ellentétes a diffúziós áram irányával: az elektronokat a p-oldal felé, a lyukakat pedig az n-oldal felé kényszeríti.
A p-n átmenet egyensúlyi állapotában a diffúziós áram és a drift áram pontosan kiegyenlítik egymást, így nincs nettó áram az átmeneten keresztül. Ez a dinamikus egyensúly tartja fenn a tértöltési zónát és a beépített potenciált (Vbi), ami kulcsfontosságú a napelem működéséhez.
Amikor a napelemre fény esik, a fotonok energiája elegendő lehet elektron-lyuk párok létrehozására. Ezek a párok a tértöltési zónában szétválnak a beépített potenciál hatására: az elektronok az n-oldal felé, a lyukak pedig a p-oldal felé sodródnak, létrehozva egy áramot, ami a külső áramkörben hasznosítható.
A napelem nyitott áramköri feszültsége (Voc) és rövidzárlati árama (Isc)
A napelem működésének egyik legfontosabb jellemzője a nyitott áramköri feszültség (Voc) és a rövidzárlati áram (Isc). Ezek az értékek alapvető információt nyújtanak a napelem teljesítményéről és minőségéről. A Voc azt a maximális feszültséget jelenti, amelyet a napelem képes előállítani, amikor nincs terhelés rákapcsolva, azaz az áramkör nyitott. Ezzel szemben az Isc a maximális áramot mutatja, amely a napelemen átfolyik, amikor a kimeneti kapcsait rövidre zárjuk, azaz a feszültség nulla.
A Voc értéke függ a cella anyagától (például szilícium), a hőmérséklettől és a beeső fény intenzitásától. Magasabb fényintenzitás általában magasabb Voc-t eredményez. Fontos megjegyezni, hogy a Voc önmagában nem jelzi a napelem hasznosítható teljesítményét, csupán egy felső határt ad a feszültségre.
Az Isc nagysága szorosan összefügg a beeső fény mennyiségével. Minél több foton éri a napelem felületét, annál több elektron-lyuk pár keletkezik, és annál nagyobb áram folyik a rövidzárlati áramkörben. A szennyeződések és a cella hibái csökkenthetik az Isc értékét.
A napelem hatékonyságának maximalizálásához mind a Voc, mind az Isc optimalizálása szükséges. A kettő szorzata, kiegészítve a kitöltési tényezővel (Fill Factor, FF) adja meg a napelem maximális teljesítményét.
A napelemek adatlapján a Voc és Isc értékek standard tesztkörülmények (STC) mellett vannak megadva (1000 W/m² besugárzás, 25°C cellahőmérséklet). A valós körülmények között ezek az értékek eltérhetnek, ezért fontos a hőmérsékleti együtthatók ismerete is, amelyek megmutatják, hogyan változik a Voc és Isc a hőmérséklet függvényében.
A Voc és Isc mérése egyszerűen elvégezhető egy multiméter segítségével. Ezek az értékek segítenek a napelem állapotának felmérésében, a hibák diagnosztizálásában és a teljesítmény optimalizálásában.
A napelem karakterisztikája: Az áram-feszültség (I-V) görbe
A napelem áram-feszültség (I-V) karakterisztikája alapvető eszköz a napelem működésének megértéséhez és teljesítményének elemzéséhez. Ez a görbe azt mutatja meg, hogy a napelem által leadott áram hogyan változik a kimeneti feszültség függvényében adott körülmények között, például adott napsugárzási intenzitás és hőmérséklet mellett.
A görbe két fontos pontot definiál: a rövidzárlati áramot (ISC), ami az az áram, amit a napelem akkor termel, ha a kimeneti kapcsait rövidre zárjuk (feszültség = 0), és a nyitott áramköri feszültséget (VOC), ami a napelem által termelt maximális feszültség, amikor a kimeneti kapcsai nincsenek összekötve (áram = 0). E kettő között a görbe egy jellegzetes, nemlineáris alakot mutat.
A görbe alakjából következtethetünk a napelem teljesítményére. A napelem által leadott teljesítmény az áram és a feszültség szorzata (P = I * V). A görbén megkereshető az a pont, ahol ez a szorzat a legnagyobb; ezt a pontot maximális teljesítménypontnak (MPP) nevezzük. A napelemes rendszerek tervezése során törekszünk arra, hogy a napelem a lehető legközelebb ezen a ponton működjön, hogy a maximális energia kinyerése biztosított legyen.
A napelem I-V karakterisztikáját számos tényező befolyásolja. A napsugárzás intenzitásának növekedése általában növeli a rövidzárlati áramot, míg a hőmérséklet emelkedése csökkenti a nyitott áramköri feszültséget. Ezek a változások módosítják az I-V görbe alakját és a maximális teljesítménypont helyzetét.
A napelem optimális működésének biztosításához elengedhetetlen az I-V görbe folyamatos monitorozása és a működési pont megfelelő beállítása, különösen változó környezeti körülmények között.
Az I-V görbe diagnosztikai célokra is használható. Például, ha a görbén hirtelen törések vagy deformációk jelennek meg, az hibás cellákra vagy csatlakozási problémákra utalhat.
A modern napelemes rendszerek gyakran tartalmaznak maximális teljesítménypont követőket (MPPT), amelyek folyamatosan figyelik az I-V görbét, és beállítják a napelem működési pontját annak érdekében, hogy a maximális teljesítményt kinyerjék, figyelembe véve a változó körülményeket.
A napelem hatásfokát befolyásoló tényezők
A napelem hatásfokát számos tényező befolyásolja, melyek közvetlenül kapcsolódnak a fotovoltaikus cellák működéséhez. Az egyik legfontosabb a felhasznált félvezető anyag minősége. A kristályos szilícium, bár széles körben elterjedt, különböző tisztasági fokozatokban érhető el, és a szennyeződések jelenléte jelentősen csökkentheti a hatásfokot. Például, a polikristályos szilícium általában alacsonyabb hatásfokú, mint a monokristályos.
A napfény spektrális eloszlása is kritikus. A napelemek nem képesek a teljes spektrumot egyformán hatékonyan hasznosítani. A kék és ultraibolya fény energiája nagyobb, de a szilícium napelemek a vörös és infravörös tartományban kevésbé hatékonyak. Emiatt a felhős idő, vagy a légkör összetétele is befolyásolja a teljesítményt.
A hőmérséklet jelentős hatással van a napelem hatásfokára. A hőmérséklet emelkedésével a cellák hatásfoka csökken. Ez egy fizikai jelenség, mely a félvezetők tulajdonságaiból adódik: a hő növeli az elektronok mozgását, ami gátolja az elektronok és lyukak rekombinációját, így kevesebb elektron jut el a külső áramkörbe.
A napelem hatásfokának növelése érdekében folyamatosan fejlesztik a hűtési technológiákat és a hőállóbb anyagokat.
A beesési szög is kulcsfontosságú. A napelemek a leghatékonyabban akkor működnek, ha a napfény merőlegesen esik rájuk. A beesési szög változásával a fény egy része visszaverődik, csökkentve a cellába jutó fény mennyiségét. Ezért fontos a megfelelő tájolás és dőlésszög megválasztása, valamint a napkövető rendszerek alkalmazása.
Végül, de nem utolsósorban, a gyártási technológia és a cellák kialakítása is nagyban befolyásolja a hatásfokot. A vékonyréteg napelemek, például a CIGS vagy CdTe technológiák, bár olcsóbbak lehetnek, általában alacsonyabb hatásfokúak, mint a szilícium alapúak. Azonban a folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően egyre hatékonyabbá válnak ezek a technológiák is.
A napelemek típusai: Monokristályos, polikristályos és vékonyréteg napelemek
A napelemek működésének alapelve mindegyik típusnál ugyanaz: a fotovoltaikus hatás révén a fény energiája elektromos árammá alakul. Azonban a felhasznált anyagok és a gyártási eljárások jelentősen befolyásolják a napelemek hatásfokát, költségét és élettartamát. A legelterjedtebb típusok a monokristályos, polikristályos és vékonyréteg napelemek.
A monokristályos napelemek a legmagasabb hatásfokúak, jellemzően 17-22% között. Ezek a napelemek egyetlen, nagy tisztaságú szilícium kristályból készülnek, ami biztosítja a rendezett atomi szerkezetet és ezáltal a hatékonyabb elektronmozgást. A gyártási folyamatuk azonban költségesebb, ami magasabb árat eredményez. Jellemzően sötét, egységes színűek és lekerekített sarkokkal rendelkeznek.
A polikristályos napelemek olcsóbb alternatívát kínálnak. Ezek a napelemek több szilícium kristály összeolvasztásával készülnek, ami kevésbé rendezett atomi szerkezetet eredményez. Ez a hatásfok csökkenéséhez vezet, ami jellemzően 15-18% között van. A gyártási költség alacsonyabb, mert a szilíciumot nem kell egyetlen kristályba növeszteni. Külső megjelenésük mozaikszerű, kékes színű.
A vékonyréteg napelemek jelentősen eltérnek a kristályos szilícium napelemektől. Ezek a napelemek vékony fotovoltaikus réteget (pl. amorf szilícium, kadmium-tellurid vagy réz-indium-gallium-szelenid) hordanak fel valamilyen hordozóra (pl. üvegre, rozsdamentes acélra vagy műanyagra). A vékonyréteg napelemek gyártása olcsóbb és kevesebb anyagot igényel, de a hatásfokuk alacsonyabb, általában 10-13% körül mozog. Rugalmasak lehetnek és különböző formákban gyárthatók, ami szélesebb körű felhasználást tesz lehetővé. Például épületek homlokzatára vagy tetőcserepekre integrálhatók.
A napelemek hatásfoka közvetlenül befolyásolja, hogy mekkora területre van szükség a kívánt elektromos áram előállításához. A magasabb hatásfokú napelemek kisebb területen képesek ugyanannyi energiát termelni.
A napelem típusának kiválasztása függ a rendelkezésre álló területtől, a költségvetéstől és a kívánt teljesítménytől. Bár a monokristályos napelemek hatásfoka a legmagasabb, a polikristályos napelemek költséghatékonyabb megoldást kínálhatnak. A vékonyréteg napelemek pedig speciális alkalmazásokban, ahol a rugalmasság és a könnyű súly fontos szempont, bizonyulhatnak a legjobb választásnak.
A napelem modulok felépítése és működése
A napelem modulok alapját a fotovoltaikus (PV) cellák képezik. Ezek a cellák jellemzően szilíciumból készülnek, mely egy félvezető anyag. A szilíciumot úgy módosítják, hogy kétféle réteget hozzanak létre: egy n-típusú réteget, melyben többlet elektronok vannak, és egy p-típusú réteget, melyben „lyukak” (elektronhiányok) találhatók.
Amikor a napfény – fotonok formájában – eléri a PV cellát, az energiája felszabadítja az elektronokat a szilícium atomokból. Ezek az elektronok a p-n átmenetnél lévő elektromos tér hatására mozgásba lendülnek. Az n-típusú réteg felé vándorolnak az elektronok, míg a lyukak a p-típusú réteg felé. Ez az irányított elektronmozgás hozza létre az elektromos áramot.
Egyetlen PV cella által termelt feszültség és áramerősség viszonylag alacsony. Ezért a cellákat sorba és párhuzamosan kötik össze, hogy napelem modulokat alkossanak. A soros kapcsolás növeli a feszültséget, míg a párhuzamos kapcsolás az áramerősséget. A modulokat aztán edzett üveggel fedik be, hogy megvédjék őket az időjárás viszontagságaitól.
A modulok hátulján található egy védőréteg (általában műanyag), valamint egy csatlakozódoboz. A csatlakozódoboz tartalmazza a vezetékeket és csatlakozókat, melyek lehetővé teszik a modulok összekapcsolását, és az elektromos áram elvezetését egy inverterhez.
A napelem modulok lényegében olyan „energia gyárak”, melyek a napfényt közvetlenül elektromos energiává alakítják át, kihasználva a fotovoltaikus hatást.
Az inverter feladata, hogy a napelemek által termelt egyenáramot (DC) a háztartásokban használatos váltóárammá (AC) alakítsa át. Az inverter azután csatlakozik az elektromos hálózathoz, lehetővé téve a megtermelt energia felhasználását vagy visszatáplálását.
A napelem rendszerek főbb elemei és azok funkciói
A napelemek szívét a fotovoltaikus cellák alkotják. Ezek az eszközök képesek a napfényt közvetlenül elektromos árammá alakítani. A működésük a fényelektromos jelenségen alapszik, ami azt jelenti, hogy bizonyos anyagok fény hatására elektronokat bocsátanak ki.
A cellák általában szilíciumból készülnek, ami egy félvezető anyag. A szilíciumot adalékolják, azaz más elemekkel keverik, hogy pozitív (p-típusú) és negatív (n-típusú) rétegeket hozzanak létre. A p-n átmenet, ahol a két réteg találkozik, kulcsfontosságú a folyamat szempontjából.
Amikor a napfény fotonjai elérik a cellát, energiájukat átadják a szilícium atomjainak. Ez az energia felszabadítja az elektronokat, amelyek a p-n átmeneten keresztül vándorolnak a negatív oldalra. Ez a mozgás elektromos áramot hoz létre.
Fontos megjegyezni, hogy egyetlen napelem cella által termelt feszültség és áramerősség viszonylag alacsony. Ezért a napelem rendszerekben a cellákat sorba és párhuzamosan kötik össze, hogy megfelelő feszültséget és áramerősséget érjenek el. Ezt a cellák összekapcsolásából álló egységet napelem modulnak nevezzük.
A napelem modulokat aztán napelem panelekbe rendezik, amelyek nagyobb teljesítményt képesek leadni. A panelek telepítése során ügyelni kell a tájolásra és a dőlésszögre, hogy minél több napfény érje a felületet.
A napelem rendszerek nem csupán a napelemekből állnak. Szükség van még inverterre is, ami a napelemek által termelt egyenáramot (DC) váltóárammá (AC) alakítja, hogy az otthoni elektromos hálózatba táplálható legyen.
Ezen kívül fontos a tartószerkezet, amely a paneleket rögzíti a tetőn vagy a földön. A rendszerhez tartozhat még töltésvezérlő is, ha akkumulátorokat is használunk az energia tárolására.
Végül, de nem utolsósorban, a napelem rendszerekhez gyakran tartozik monitoring rendszer, amely lehetővé teszi a termelt energia mennyiségének nyomon követését és a rendszer teljesítményének optimalizálását.
