Egykristályos és többkristályos szilícium: mi a különbség a napelemcellákban?

Röviden: a napelemcellák nagy része szilíciumlapkából készül, amely lehet egykristályos vagy többkristályos. Az egykristályos anyag rendezettebb és jobb paraméterű, de drágább. A többkristályos olcsóbb, viszont a kristályszemcsék határai rontják a minőséget.

Miben különböznek a szilícium típusai?

A napelemekhez használt szilícium vagy más félvezető lehet egykristályos, többkristályos, polikristályos vagy amorf. A fő különbség az, hogy az anyag kristályszerkezete mennyire szabályos és rendezett, és ennek megfelelően a félvezetők a kristályokat alkotó szemcsék mérete szerint osztályozhatók.

Egykristályos szilícium

A szilíciumcellák többségét szilíciumlapkából (wafer) készítik, amely lehet egykristályos vagy többkristályos. Az egykristályos lapkák anyagparaméterei általában jobbak, de drágábbak is. A kristályos szilícium rendezett szerkezetű, minden atom ideális esetben egy előre meghatározott helyen van. Viselkedése kiszámítható és egyenletes, de a gondos és lassú gyártási folyamat miatt a legdrágább szilíciumtípus.

Az egykristályos szilíciumot általában nagy, hengeres tuskóként növesztik, amelyből kör vagy félig négyzet alakú cellák lesznek. A félig négyzet alakú cella eredetileg kör volt, de levágták a széleit, hogy a cellák hatékonyabban férjenek el egy téglalap alakú modulban.

A napelemeknél a kedvelt kristályirány a <100>, mert ez könnyen textúrázható piramisokká, amelyek csökkentik a felület visszaverő képességét. Az egykristályos lapkákon gyakran kis levágott élek (angolul „flat”) jelzik a lapka orientációját és adalékolását.

Többkristályos szilícium

A többkristályos szilícium előállítási technikái egyszerűbbek, ezért olcsóbbak az egykristályos anyagénál. Az anyag minősége viszont rosszabb, mert vannak benne szemcsehatárok. A szemcsehatárok helyi rekombinációs területeket hoznak létre, mert extra hibaenergiaszinteket vezetnek be a tiltott sávba, ami csökkenti a töltéshordozók élettartamát. A szemcsehatárok ezenkívül gátolják a töltéshordozók áramlását, és söntutat adnak az áramnak a p-n átmeneten át.

Korábban úgy gondolták, hogy a nagy szemcsék a legjobbak, mert kevesebb a szemcsehatár. A közelmúltban azonban kiderült, hogy a kisebb szemcsék kisebb feszültséget okoznak a határoknál, így elektromosan kevésbé aktívak (kisebb a rekombináció). Ma a legtöbb többkristályos szilíciumot oltókristályos (seeded) eljárással növesztik, hogy kisebb szemcsék keletkezzenek, ezt „high performance multi” néven emlegetik.

A szemcsehatárok okozta rekombinációs veszteségek elkerüléséhez legalább néhány milliméteres szemcseméret kell. Ez az is lehetővé teszi, hogy egy szemcse a cella elejétől a hátuljáig érjen, ami kisebb ellenállást jelent az áramnak, és csökkenti a szemcsehatárok hosszát cellánként.

Hogyan változott a piac?

A forrás szerint sokáig a gyártott modulok több mint fele többkristályos szilíciumot használt, de 2018-tól az egykristályos kezdett uralkodóvá válni, és 2020–2021-re nehéz volt többkristályos cellát vásárolni. Az okok összetettek, de összefüggtek azzal, hogy az alumínium hátoldali térrel rendelkező cellatervezésről áttértek a passzivált emitteres, hátoldali érintkezős (PERC) szerkezetre. A PERC-nél magas hatásfokot már 1990-ben is elértek, de kereskedelmileg csak 2015 körül lett életképes. A PERC az egykristályos celláknál ad magasabb hatásfokot, a többkristályosoknál nem hoz sok javulást. Ráadásul az úgynevezett „cast-mono” megjelenése elmosta a határt az egy- és a többkristályos szilícium között.

Mit érdemes megjegyezni?

A szilíciumtípus a cella hatásfokát és a költségét is befolyásolja. A cellák felépítéséről a napelemcella felépítéséről szóló cikkben írtunk, a hatásfok fogalmáról a hatásfokról szóló írásban. A mai kínálatban az egykristályos szilícium uralkodik, ezért a panelek adatait érdemes ennek fényében olvasni. A magyarországi termeléshez a Mit termel egy 800 W-os rendszer Magyarországon cikk szolgál alapul.