A hőmérséklet hatása a napelemre: miért „szereti” a hideget?

Röviden: a napelemcella is félvezető eszköz, ezért érzékeny a hőmérsékletre. Melegben főleg az üresjárási feszültsége csökken, és emiatt kisebb lesz a leadott teljesítmény is.

Mi változik, ha melegszik a cella?

Minden félvezetőhöz hasonlóan a napelemcella is érzékeny a hőmérsékletre. A hőmérséklet emelkedése csökkenti a félvezető tiltott sávját (bandgap), ami a legtöbb anyagjellemzőt befolyásolja. A jelenséget úgy lehet elképzelni, hogy melegben az elektronok energiája nagyobb, ezért kevesebb energia kell a kötés felszakításához.

A napelemcellában az emelkedő hőmérséklet a legjobban az üresjárási feszültséget (VOC) rontja. Ennek oka a sötétáram (I0) hőmérsékletfüggése. A sötétáramot leginkább az határozza meg, hogy hány töltéshordozó van az anyagban eleve, és ez a szám a hőmérséklettel gyorsan nő. A PVEducation szerint szilíciumcelláknál, szobahőmérséklet közelében a sötétáram nagyjából megduplázódik minden 10 °C-os melegedésnél.

Mekkora ez a hatás?

A leírás szerint a cella hőérzékenysége függ az üresjárási feszültségétől: a nagyobb feszültségű cellákat kevésbé érinti a hőmérséklet. Szilíciumra a levezetés az üresjárási feszültség mintegy 2,2 mV/°C csökkenését adja.

A forrás összevetést is közöl a kaliforniai energiahatóság (CEC) modul-adatbázisában közölt, a gyártók által megadott értékekkel. A számított érték közel esik a modulok átlagához, és nem látszik rendszeres eltérés, ami arra utal, hogy a szóródás inkább a mérési hiba, mint a cellatechnológia különbsége. Az adatokat a modulgyártók maguk jelentették.

A többi jellemző

A rövidzárási áram (ISC) a hőmérséklettel kismértékben nő, mert a tiltott sáv szűkül, és több foton rendelkezik elég energiával elektron–lyuk pár keltéséhez. Ez azonban kis hatás, és a rövidzárási áram változása kisebb, mint az üresjárási feszültségé. Hogy mennyire nő, az inkább a cella kialakításától függ, mint az anyag tulajdonságaitól. A kitöltési tényező is függ a hőmérséklettől, a maximális teljesítmény pedig együtt változik a feszültséggel és a többi tényezővel.

Az eredő hatás az, hogy a cella teljesítménye melegben csökken. A forrás szemléletes megjegyzése szerint a napelemek a hideg, napos környezetet kedvelik: a leírásban egy antarktiszi hatásfokmérés fotója szerepel erről.

Miért 25 °C a mérések alapja?

A félvezetők modellezését többnyire 300 K-en végzik, mert ez közel van a szobahőmérséklethez, és kényelmes szám. A napelemcellákat viszont tipikusan 25 °C-on (298,15 K) mérik, ami majdnem 2 fokkal alacsonyabb. A forrás szerint a különbség a legtöbb esetben jelentéktelen (a VOC-ban mindössze 4 mV), és mindkettőt szobahőmérsékletnek nevezik. Néha mégis korrigálni kell a modellezett eredményeket, hogy egyezzenek a mért adatokkal.

Mit jelent ez a termelésre?

A gyakorlatban ebből két dolog következik. A cella hőmérsékletét a napsugárzás és a környezet együtt alakítja, ezért a nyári kánikula nem a legjobb időszak a hatásfok szempontjából, még ha a nap ereje a legnagyobb is. Másrészt a termelési számításokban a hőmérsékletveszteség a rendszerveszteség része, ahogy a Mit termel egy 800 W-os rendszer Magyarországon cikk feltételezései között is szerepel. A cella szerkezetéről az I–V görbéről szóló cikkben olvashatsz.