A napelemcella felépítése: p-n átmenet, reflexiócsökkentés és fémrács

Röviden: a napelemcella lényege egy félvezető p-n átmenet. A tervezés célja, hogy a cella minél több fényt fogjon fel, a keletkező töltéshordozókat az átmenet összegyűjtse, az áramot pedig kis veszteséggel vezessék ki.

A rétegek

A napelemcella olyan elektronikus eszköz, amely a napfényt közvetlenül árammá alakítja. Ehhez olyan anyag kell, amelyben a fényelnyelés magasabb energiaállapotba emeli az elektront, és ez az elektron eljut a külső áramkörbe. A gyakorlatban a napelemes átalakítás szinte kizárólag félvezető anyagból, p-n átmenettel történik.

A cella keresztmetszetében a fény először az úgynevezett emitterbe lép be. A forrás megjegyzi, hogy az „emitter” és a „bázis” történeti elnevezések, a modern cellákban már nincs önálló jelentésük, de a rétegek szerepének leírására hasznosak. Az emitter általában vékony, hogy az átmenet a fény erős elnyelődésének közelében legyen, a bázis pedig elég vastag ahhoz, hogy a fény nagy részét elnyelje.

Mekkora hatásfok érhető el?

A fotovoltaikus átalakítás elméleti hatásfoka a forrás szerint meghaladja a 86,8%-ot, de ez a szám részletes egyensúlyi számításból jön, és nem valós eszközt ír le. Szilíciumcellákra 1 nap megvilágításnál reálisabb határ kb. 29%, a forrás szerint pedig a jelenleg mért legnagyobb szilíciumcella-hatásfok 26,7% AM1.5G mellett.

Az elméleti és a mért érték különbségének két fő oka van. Az egyik, hogy az elméleti maximum feltételezi, hogy minden foton energiáját optimálisan használják ki, nincs el nem nyelt foton, és minden fotont a fotonenergiával megegyező tiltott sávú anyag nyel el. A másik, hogy az elméleti érték nagy koncentrációt tételez fel.

Három tervezési elv

Az egyátmenetes cella hatásfokának növeléséhez a forrás szerint ezekre kell törekedni:

• minél több, a cellába jutó fényből legyen töltéshordozó;
• a keletkezett töltéshordozókat minél jobban szétválassza és összegyűjtse a p-n átmenet;
• az áramot veszteség nélkül (vagy minél kisebb ellenállási veszteséggel) vezessék ki a cellából.

Reflexió elleni védelem

A csupasz szilícium felületi visszaverődése 30% fölötti. Ezt kétféleképp csökkentik: a felület textúrázásával és tükröződésgátló bevonattal. A bevonat vékony dielektrikum réteg, amelynek vastagságát úgy választják meg, hogy a felületéről és a félvezetőről visszaverődő hullámok ellenfázisban találkozzanak, és kioltsák egymást. Ugyanez a jelenség okozza a vízen úszó olajréteg szivárványszínű sávjait.

A bevonat vastagsága és törésmutatója csak egyetlen hullámhosszra ad teljes kioltást. A napelemeknél 0,6 µm-es hullámhosszra optimalizálnak, mert ez közel van a napspektrum teljesítménycsúcsához.

A felület érdesítése („textúrázás”) is csökkenti a visszaverődést, mert megnöveli az esélyt, hogy a visszavert fény ismét a felületre pattan. Egykristályos szilíciumnál az anyag kristálysíkjai mentén maratva piramisok alakulnak ki; a többkristályos lapkáknál ezek a technikák kevésbé hatásosak, mert a felületnek csak kis része van megfelelő irányban.

A fémrács

A cella tetején lévő fémvezetők (ujjak és gyűjtősínek) elvezetik az áramot, de árnyékot is vetnek: a rajtuk lévő fém megakadályozza, hogy a fény bejusson. A tervezés ezért kompromisszum a fém ellenállási vesztesége és az árnyékolási veszteség között. A forrás egyszerű tervezési szabályai szerint a gyűjtősín optimális szélessége ott van, ahol az ellenállási vesztesége megegyezik az árnyékolási veszteségével, a kúposodó gyűjtősín kisebb veszteségű az állandó szélességűnél, és minél kisebb az ismétlődő alapcella, minél keskenyebb az ujj, és minél kisebb az ujjak távolsága, annál kisebbek a veszteségek.

Mit érdemes megjegyezni?

Egy napelemcella hatásfoka fizikai és gyártástechnológiai korlátokból adódik. A fényből keletkező áram és feszültség hátteréről a fotovoltaikus hatásról szóló cikk szól, a cella jellemzésének mérőszámait az I–V görbéről és a hatásfokról szóló írások mutatják be. A hazai termelés számaihoz a Mit termel egy 800 W-os rendszer Magyarországon cikket érdemes elolvasni.