A fotovoltaikus hatás: hogyan lesz a fényből áram a napelemben?

Röviden: a napelemcellában a fény töltéshordozókat hoz létre, a p-n átmenet pedig szétválasztja őket. Ettől lesz áram és feszültség is, tehát teljesítmény. A folyamatot fotovoltaikus hatásnak nevezzük.

Két dolog kell az áramhoz

A napelemcella olyan eszköz, amely a napfényt közvetlenül elektromos árammá alakítja. Ehhez két lépés szükséges. Először olyan anyag kell, amelyben a fény elnyelése magasabb energiaállapotba emeli az elektronokat. Másodszor ezeknek a nagyobb energiájú elektronoknak el kell jutniuk a cellából a külső áramkörbe. Ott leadják az energiájukat, majd visszatérnek a cellába.

A gyakorlatban a napelemes energiaátalakítás szinte kivétel nélkül félvezető anyagból, p-n átmenettel történik.

A p-n átmenet szerepe

A fény által keltett töltéshordozókat a p-n átmenet gyűjti össze. Az elektronok az n-típusú oldal felé, a lyukak a p-típusú oldal felé mozdulnak el. Ez az összegyűjtés önmagában még nem elég az áramtermeléshez, mert teljesítményhez áram és feszültség is kell. A feszültség a fotovoltaikus hatásból származik.

Rövidzár: az áram kilép

Ha a cella kivezetéseit rövidre zárjuk, a töltéshordozók kilépnek az eszközből, ezért nem halmozódik fel töltés. Az áramot ilyenkor a fény által keltett áram adja.

Üresjárás: a feszültség felépül

Ha viszont a töltéshordozók nem tudnak kilépni, a cellában felhalmozódnak: az n-típusú oldalon több lesz az elektron, a p-típusú oldalon több a lyuk. Ez a töltésszétválasztás elektromos mezőt hoz létre, amely szemben áll az átmenetnél eleve meglévő mezővel, és csökkenti az eredő mezőt. Mivel az elektromos mező akadály az előre irányú diffúziós áram előtt, a mező gyengülése növeli ezt az áramot.

Végül új egyensúly alakul ki, amelyben feszültség van a p-n átmeneten. A cella áramát az adja, hogy a fény keltette áramból levonjuk az előre irányú áramot.

Üresjáráskor az átmenet előfeszítése eljut arra a pontra, ahol a fény keltette áramot pontosan kiegyenlíti az előre irányú diffúziós áram, így az eredő áram nulla. Azt a feszültséget, amely ehhez az egyensúlyhoz kell, üresjárási feszültségnek nevezzük.

Mit jelent ez a gyakorlatban?

A cella két szélső állapota tehát a rövidzár (legnagyobb áram, nincs feszültség) és az üresjárás (legnagyobb feszültség, nincs áram). Mindkét szélső pontban a leadott teljesítmény nulla, a hasznos munkapont a kettő között van. A napelemeket jellemző mennyiségek közül a rövidzárási áram és az üresjárási feszültség ezekből a szélső állapotokból adódik. Erről bővebben az I–V görbéről szóló cikkben lesz szó.

A cella működésének négy lépése ezek: a töltéshordozók keletkezése a fényből, összegyűjtésük (ez adja az áramot), a nagy feszültség kialakulása a cellán, végül a teljesítmény leadása a terhelésen és a cella saját veszteségein.

Ha a napelem működésének gyakorlati oldalára kíváncsi vagy, olvasd el a Mi az erkélynapelem, és hogyan működik? és a Mit termel egy 800 W-os rendszer Magyarországon cikket is.