A fotovoltaikus elem vagy napelem olyan elektronikus alkatrész, amely fény hatására a fotovoltaikus hatás révén villamos energiát termel . A kapott elektromos teljesítmény arányos a beeső fényteljesítménnyel, és ez a cella hatékonyságától függ . Ez egyenes feszültséget szolgáltat, és egy áram halad át rajta, amint elektromos terheléshez (általában inverterhez , néha egyszerű elektromos akkumulátorhoz ) csatlakozik.
A legelterjedtebb fotovoltaikus cellák félvezetőkből készülnek , főként szilíciumon és ritkábban más félvezetőkön : réz-indium-szelenid (CuIn (Se) 2 vagy CIS), réz-szelenid, indium és gallium (CuInGa (Se) 2 , más néven CIGS), kadmium-tellurid (CdTe) stb. Általában vékony lemezek formájában vannak egymástól körülbelül tíz centiméterre.
A cellákat gyakran fotovoltaikus modulokban vagy napelemekben kombinálják, a kívánt teljesítmény függvényében.
Az elv a fotoelektromos hatás (közvetlen energia átalakítása által szállított fényt elektromossággá) vittük 1839 által Antoine Becquerel és fia Edmond Becquerel , aki megjegyezte, hogy a lánc elektromosan vezető elemeket ad okot, hogy a feszültség az elektromos megvilágítva.
Az első félvezető anyagú napelem gyártását Charles Frittsnek tulajdonítják 1883-ban . Ez a cella csaknem 1% -os hozamot ért el, és drága aranyat és szelént használt fel.
A szelén akkor a szilícium (amely végül kiszorítják a kadmium - tellúr vagy kadmium- indium - szelén is teszteltük a költségek miatt) lenne elősegíti a termelés az első napelemek: fénymérő a fényképezés 1914-ben, és a generátorok . Hassan Kamel Al-Sabbah 1928-ban azt a projektet hajtotta végre, hogy a Közel-Keletet „ zöld Szaharává ” tegye , ami később a Desertec projektet inspirálta .
A cellák alacsony hozama abban az időben nem tette lehetővé a fotovoltaikus cellák konkrét alkalmazását. Ez 1954-ben megváltozott, amikor Gerald Pearson , Darryl Chapin és Calvin Fuller Bell Laboratories munkája végül 6% -os hozamot eredményezett.
1958-ban találták meg a fotovoltaikus cellák első igazi alkalmazását, a Vanguard 1 műhold rádióadóinak tápellátásával . Ezeknek a napelemeknek a hatékonysága akkor 9% volt.
Az 1960-as években a fotovoltaikus áramlás fejlődött az űr műholdak emelkedésével, majd az 1970-es években távoli helyek áramellátása tette lehetővé az első alkalmazásokat a földön.
A kutatások napjainkban sokféle anyagra és szerkezetre összpontosítanak, amelynek egyik vagy több célja a cél:
Az alkalmazott technikák a polimerektől / szerves anyagoktól (esetleg rugalmasak) egészen azokig az anyagokig terjednek, amelyek komponensei a földkéregben bőségesek, és olyan technológiákon mennek keresztül, mint a kvantumpontok és még sok más.
Egy félvezető kitett fény , egy foton elegendő energia könnyek egy elektron a mátrixból, és így létrehoz egy „ lyuk ”. További eszköz hiányában az elektron gyorsan lyukat talál a rekombinációhoz, és így a foton által biztosított energia eloszlik. A fotovoltaikus cella elve az, hogy az elektronokat és a lyukakat arra kényszeríti, hogy mindegyik az anyag ellentétes oldala felé mozogjon, ahelyett, hogy rekombinálódna benne: potenciálkülönbség és ezért feszültség jelenik meg a két oldal között, mint egy veremben . Ennek a célnak az elérésének egyik módja, amelyet általában használnak, elektromos tér létrehozása egy PN csomópont , azaz két P és N adalékolt réteg között .
Jellemzően a cella felső rétege N-adalékolt félvezetőből áll. Ebben a rétegben a szabad elektronok mennyisége nagyobb, mint a belső anyagé (azaz nem hézagolatlan), ezért az N dopping neve negatív ( elektron töltés ). Az anyag elektromosan semleges marad: a kristályrács globálisan támogatja a negatív töltést. A cella alsó rétege általában egy P-adalékolt félvezetőből áll. Ennek a rétegnek tehát átlagosan kevesebb szabad elektronja lesz, mint a belső anyagé (azaz le nem bontott), az elektronok kapcsolódnak a kristályrácshoz, amely ennek megfelelően pozitív töltésű. Az elektromos vezetést pozitív (P) lyukak biztosítják.
Amikor létrejön a PN csomópont, az N régió szabad elektronjai diffundálnak a P héjban, és egyesülnek a P régióban lévő lyukakkal. Így a csomópont egész élettartama alatt az N régió pozitív töltése a csomópont széle (mert az elektronok elhagyták) és negatív töltés a kereszteződés szélén lévő P tartományban (mert a lyukak eltűntek belőle); az egész formák a tértöltés zóna (ZCE), és van egy elektromos mező a kettő között, a N P. Ez az elektromos mező teszi a ZCE egy dióda , amely csak akkor teszi lehetővé, hogy áram folyjon az egyik irányba.: elektronok át a P régió az N régióhoz, de nem az ellenkező irányba; fordítva, a lyukak csak N-től P-ig terjednek.
Működés közben egy foton elkap egy elektront a mátrixból, szabad elektronot és lyukat hozva létre. Ezek a töltéshordozók diffundálnak az űrtöltési zónába. Ott az elektromos tér hatására mindegyikük ellenkező irányba halad: az elektronok felhalmozódnak az N régióban (amely negatív pólussá válik), míg a lyukak a P-adalékolt rétegben (amely a pozitív pólussá válik) halmozódnak fel. . Ez a jelenség a ZCE- ben a leghatékonyabb , ahol a töltéshordozókat (elektronokat vagy lyukakat) azonnal elválasztja az elektromos mező. A jelenség a ZCE közvetlen közelében is hatékony : amikor egy foton elektron-lyuk párot hoz létre ott, akkor elválnak egymástól, és kevés esélyük van ellentétük találkozására, míg ha a létrehozás a csomóponttól távolabb történik, akkor az új elektron ( illetve a lyuk) megőrzi a rekombináció nagy esélyét, mielőtt elérné az N zónát (illetve a P zónát). Az ECA nagyon vékony, ezért gyakran lehet finomsejteket előállítani.
Elektromos szempontból a fotovoltaikus cella egyenértékű egy áramgenerátorral, amelyhez diódát adtak . Szükség van elektromos érintkezők hozzáadására (amelyek lehetővé teszik a fény áthaladását a megvilágított felületen: a gyakorlatban gyakran rácson keresztüli érintkezést alkalmaznak), egy tükröződésgátló réteget, hogy biztosítsák a fotonok jó eljutását az abszorberbe. A cella működése és a maximális áram előállítása érdekében a félvezető rést a fotonok energiaszintjéhez igazítják . A csomópontok opcionálisan egymásra rakhatók, hogy a lehető legjobban kihasználják a fotonok energiaspektrumát, amelynek eredményeként többszörös csatlakozású sejtek keletkeznek, amelyeket „tandem sejteknek” is neveznek.
A fotovoltaikus cellák anyagának gyártására jelenleg a szilíciumot használják a legszélesebb körben. Ezt úgy kapjuk csökkentése a szilícium-dioxid , a leggyakoribb vegyület a földkéreg, és különösen a homok vagy kvarc . A folyamat első szakasza az úgynevezett kohászati szilícium előállítása, csak 98% -ban tiszta, amelyet kavicsokból vagy vénás lerakódásokból származó kvarcdarabokból nyernek (az ipari gyártási technika nem teszi lehetővé a homokból való kiindulást). A fotovoltaikus minőségű szilíciumot 99,999% fölé kell tisztítani, amelyet a szilícium kémiai vegyületté történő átalakításával lehet elérni, amelyet desztillálnak , majd visszaalakítják szilikommá.
A szilíciumot kerek vagy négyzet keresztmetszetű tuskók formájában állítják elő. Ezeket a tuskókat ezután vékony, szükség esetén négyzet alakú, közel 200 µm vastag lemezekre fűrészelik , úgynevezett ostyáknak . Olyan kezelés után, amelynek célja doppingelemekkel ( P , As , Sb vagy B ) történő dúsítása és ezáltal P vagy N típusú félvezető szilícium megszerzése, az ostyákat "fémesre" építik: a fémszalagok a felületre vannak burkolva, és elektromos érintkezőkhöz vannak kötve . Fémesedése után az ostyák fotovoltaikus cellákká válnak.
A fotovoltaikus cellák előállításához energiára van szükség, és a becslések szerint a fotovoltaikus modulnak körülbelül két-három évig kell működnie, hogy a gyártásához szükséges energiát a gyártási technikája szerint kompenzálja az előállításához szükséges energia előállításához (energia modul visszaküldése). A szilícium-alapú cellák fő típusainak gyártási technikáit és jellemzőit a következő három bekezdés ismerteti. Jelenleg más típusú cellákat is vizsgálnak, de használatuk csekély ( rekord piaci részesedés 16% 2009-ben ).
Az anyagok és a gyártási folyamatok ambiciózus kutatási programok tárgyát képezik a fotovoltaikus cellák gyártási és újrafeldolgozási költségeinek csökkentése érdekében . Valójában 2006-ban és 2007-ben a napelemek világtermelésének növekedését a szilícium hiánya visszafogta, és a cellák ára nem esett annyira, mint remélték. Az ipar ezért a felhasznált szilícium mennyiségének csökkentésére törekszik. A monokristályos sejtek 300 μm vastagságról 200-ra, majd 2019-ben 150 μm- re mentek , csökkentve a szükséges anyag- és energiamennyiséget, de az árakat is. 2019-ben csak 0,2 μm vastag cellákat állítanak elő 20% -os hatékonysággal, de a megvalósított folyamatok költsége csak hozzáférhetővé teszi őket az űralkalmazások számára.
Az amorf szilícium fotovoltaikus cellákat vákuumos leválasztással állítják elő , több gázból. Az egyik legszélesebb körben alkalmazott technika a plazma- segédanyagú kémiai gőzleválasztás (PECVD). A sejt nagyon sötétszürke. Ez az úgynevezett "szolár" számológépek és órák cellája.
Ennek a technikának a következő előnyei vannak:
Ennek azonban a következő hátrányai vannak:
Hűtés közben az olvadt szilícium megszilárdul, egyetlen nagy kristályt képezve, szemcsehatárok nélkül . Ezután a kristályt vékony szeletekre vágjuk, amelyek megadják a sejteket. Ezek a sejtek általában egységes kékek.
Ennek a technikának az az előnye, hogy jó hatásfokkal, 16-tól 24% -ig (2015-ben) (~ 150 Wp / m 2 ), és nagy számú gyártóval rendelkezik. Ennek azonban magas költségei vannak, alacsony hatásfokkal alacsony vagy diffúz megvilágítás mellett, és a hőmérséklet növekedésével csökken a hatásfok.
Lehűtése során a szilícium egy kokilla , több krisztallitok alkotják . A fotovoltaikus elem kékes megjelenésű, de nem egységes, megkülönböztethetjük a különböző kristályok és szemcsehatárok által létrehozott mintákat.
A következő előnyökkel rendelkezik:
A "többkristályos szilícium" kifejezést a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság használja (hivatkozás: IEC TS 61836, nemzetközi fotovoltaikus szókincs). A polikristályos kifejezést a szubsztrátumra (apró szemcsékben) lerakódott rétegekre használják.
A tandem fotovoltaikus cella két különálló cellából áll. Különböző spektrumtartományokban elnyelő két sejt (például vékony amorf szilícium réteg kristályos szilíciumon) kombinálásával az elméleti hatékonyság javul az egyes különálló sejtekhez képest, legyenek azok amorf, kristályosak vagy mikrokristályosak. Nagy érzékenységgel rendelkezik széles hullámhossz-tartományban, és nagy hatékonyságú. Ennek költsége azonban magasabb, gyártása pedig összetettebb. A szerves tandemsejtek 12% és 18% hozamot értek el a perovszkit és a szilícium tandemje esetében.
A szerves fotovoltaikus cellák aktív rétege legalább szerves molekulákból áll. 15% -nál nagyobb hozamot értek el.
Többszörös elágazású cellákat fejlesztettek ki űr alkalmazásokhoz, amelyeknél a legfontosabb paraméter nem a teljesítmény / ár arány (Wp / $), hanem a fajlagos teljesítmény vagy a Wp / kg arány. A fejlesztés ezért a magas konverziós hatékonyságú cellákra összpontosított. Ez a technológia megtalálható a fotovoltaikus koncentrációjú szektorban is (CPV), amelynek szintén nagy haszna van a nagy hatásfokú cellák használatából.
A többpontos napelemek több vékony rétegből állnak, amelyeket fémorganikus gőzfázisú epitaxia (EPVOM / MOVPE) vagy molekuláris nyaláb-epitaxia (EJM / MBE) rak le . Az űrhajózáshoz alkalmazott tipikus többcsomópontú cella a GaInP / GaAs / Ge félvezetőkből álló halmazból álló hármas csomópont , amelynek konverziós hatékonysága 30% körüli. Általánosságban elmondható, hogy minden félvezetőt egy minimális energia jellemez, amelyet tiltott sávnak vagy résnek nevezünk . Fotonok energiasűrűsége kisebb, mint ez különbség nem tud felszívódni a félvezető, és ezért nem járulnak hozzá a villamosenergia-termelésben. Foton energia nagyobb, mint a különbség oka az anyag felmelegszik egy termalizáció mechanizmus . Érdekes tehát megfontoltan egymásra helyezni a különböző résekkel rendelkező félvezetőket, lehetővé téve a napsugárzás jobb kiaknázását és ezáltal a fotovoltaikus panelek hatékonyságának növelését. A rekord fotovoltaikus átalakítás hatásfoka tehát 47,1%, és mértük a 6-csomópont sejt és alatti koncentráció (x143) a NREL .
A technika egy félvezető anyag előállításából áll, réz , indium , gallium és szelén alapján . Ennek a technológiának a vonzereje a lényegében szilíciumon alapuló technológiákhoz képest az anyag tulajdonságainak ellenőrzésének és optimalizálásának lehetősége. Az a vágy, hogy elhatárolódjon a ritka kémiai elemek, például az indium alkalmazásától, a közelmúltban hasonló anyagok gyártása felé mozdította el a kutatásokat, de ahol az indiumot és a galliumot a cink és az ón elemekkel helyettesítik , amelyek bőségesebbek. Ez a technológia, amelyet a szerkezetében található elemek miatt CZTS-nek neveztek el, azonban még nem elérhető a piacon.
Az egyik kutatási terület, amely az elmúlt évtizedben jelentős figyelmet kapott, a szerves-szervetlen hibrid perovszkitok technológiája , amelyet ebben a cikkben egyszerűen "perovszkit" -ként rövidítenek. A laboratóriumi sejtek konverziós hozama perovszkittá, amelyek továbbra is stabilitási problémáktól szenvednek, öt év alatt megduplázódott, és 2015-ben elérte a 20% -ot, ami közel azonos a szilícium-alapú sejtekéhez (25%). A Science folyóirat által közzétett tanulmányban kutatócsoportok jelzik, hogy rendellenességeket fedeztek fel az anyag felépítésében, amelyek összetételét korábban egységesnek gondolták. Javasolják ennek kijavítását az elektronok cirkulációjának kémiai kezeléssel történő javítása érdekében, lehetővé téve ezen anyagok egyenletességének, stabilitásának és hatékonyságának javítását. 2017-ben az École Polytechnique Fédérale de Lausanne csapata közzétett egy tanulmányt, amely azt sugallja, hogy a perovszkit sejtek instabilitása bizonyos olcsó technológiák segítségével legyőzhető, lehetővé téve olcsó gyártású nagy teljesítményű cellák gyártását.
A fotovoltaikus elemeket néha önmagukban használják (kerti világítás, számológép stb. ), Vagy másként csoportosítva a fotovoltaikus napelem modulokra .
Széles körben használják az elemek cseréjére (amelyek energiája messze a legdrágább a felhasználó számára; még a gyártó számára is, az elemtartó rekesz és a szállított elemek többe kerülhetnek, mint egy cella), feltéve, hogy a készülék nem igényel túl sok energiát a fotovoltaikus generátornak adható felülethez képest, és hogy a használat során elegendő fény van: a cellák behatoltak a számológépekbe, órákba, kütyükbe stb. Tárolással ( kondenzátor vagy akkumulátor ) növelhető a felhasználási tartományuk . Energiatároló eszközzel történő használat esetén elengedhetetlen a dióda sorba helyezése, hogy elkerüljük a rendszer éjszakai lemerülését.
Számos alkalmazáshoz villamos energia előállítására használják őket ( műholdak , parkolóórák , napelemes repülőgépek, napelemes csónakok stb.), Valamint a napelemes naperőművek házainak vagy nyilvános elosztóhálózatának ellátására szolgálnak. A fotovoltaikus berendezés mindenekelőtt az UTE által Franciaországban közzétett szigorú előírásoknak megfelelő elektromos berendezés . Idézhetjük a C15712-1 szabványt a hálózathoz csatlakoztatott létesítményekhez, és a C15712-2 szabványt izolált helyeken ( akkumulátorral történő energiatárolással ) történő telepítésekhez . Ezenkívül a C15-100 továbbra is érvényes és alkalmazható, különösen az AC részen. A napelemes telepítés sajátossága abban rejlik, hogy közvetlen és váltakozó áramok és veszélyforrások vannak, amelyek több helyről is származhatnak. Ennélfogva fokozott éberség javasolt a karbantartás során vagy a katasztrófa esetén, amely a sürgősségi szolgálatok beavatkozását idézi elő.
Napjainkban az egyének saját fogyasztására szánt fotovoltaikus napelemes berendezések ösztönzése 0,39 c € / kWh beruházási bónusz odaítélését teszi lehetővé . A csalások elkerülése érdekében egyesületek alakulnak ki, és online kínálják a napelemes nyereségességi szimulációkat.
A különféle fotovoltaikus technikák még nem használták ki teljes potenciáljukat, és számos kutatási utat még fel kell tárni. Ez magában foglalja a megtermelt villamos energia önköltségének csökkentését és a megbízhatóság, az élettartam, a felhasználás rugalmasságának, a tárgyakba történő egyszerű integrálás stb. Növelését .
A megtisztított szilícium hiánya vagy a doppingtermékek hiánya (az indium ára 2002-től 2009-ig a szűkössége miatt tízszeresére nőtt) tovább növeli az innováció ösztönzését egy gyorsan növekvő, kialakulóban lévő piacon. Óriási, különösen, ha sikerül csökkentse a megtermelt villamos energia bekerülési árát, és hozza közelebb a fosszilis tüzelőanyagokéhoz.
A legfőbb kortárs kihívás ezért továbbra is nagyon hatékony, de ugyanakkor stabil sejtek kifejlesztése (amelyek nehéz időjárási körülmények között több évet is képesek elviselni), amelyek nem igényelnek szűkös erőforrásokat, és amelyek könnyen előállíthatók nagy mennyiségben, például a nyomtatásnak köszönhetően 3d.
A gyártó cégek rendszeresen jelentenek be új fejlesztéseket, például:
2015-ben és 2016-ban, a „ szoláris útvonal ” ( wattway ) fogalmát javasolta Franciaországban Colas . 7 mm vastag fotovoltaikus csempéket ragasztanak egy hagyományos járdára; 1 km ilyen út szolgáltathat 5000 lakosú város közvilágítását Ademe és a COLAS csoport szerint; és 20 m elektromos kandalló (fűtés nélkül). A projektet a környezetvédelmi miniszter támogatja. A "naputat" hivatalosan felavatták a2016. december 22, a normann Tourouvre faluban. A koncepciót a mai napig négy kísérleti helyszínen tesztelték: kettőt Vendée-ben, egyet Septèmes-les-Vallons-ban, Marseille közelében, egyet Yvelines-ben a parkolókon vagy a középületek előtt.
Néhány (már műholdakon használt) hubot szárazföldön tesztelnek, hogy nagyobb nyomkövetőkhöz kapcsolódó napelemek koncentrációja (HCPV) jöjjön létre , amely tovább könnyítené a rendszereket a beton és tíz fém mennyiségének kettővel való elosztásával. A panelbe épített tükrök és lencsék segítségével a sugárzást arra az alapvető és drága elemre összpontosítják, amely a fotovoltaikus cella és annak félvezetői.
2007 végén a Sharp bejelentette, hogy rendelkezik a napsugárzás 1100-szorosára koncentráló rendszerrel (szemben a 2005-ös korábbi rekord 700-szorosával); 2008 elején Sunergi elérte az 1600-szor. A koncentráció lehetővé teszi a panel villamosenergia-termelésre fordított arányának és így annak költségeinek csökkentését. Ezenkívül ezek az új anyagok ( különösen a III -V ) nagyon jól bírják a napflux koncentrációja miatt bekövetkező jelentős melegítést.
Infravörös használatAz infravörös energiává átalakuló napelemeket ( termofotovoltaikus cellák ) a Boston College , Chestnut Hill ( Massachusetts ) fejlesztette ki. Az áramtermelés elméletileg bármely hőforrásból lehetővé válik, akár éjszaka is. Jelenleg a látható fénynek csak egy része, főleg a zöld és a kék sugárzás alakul át villamos energiává, az infravörös sugárzást a hőpanelek csak a víz melegítésére használják.
Az MIT csapata, David Bierman, Marin Soljačić és Evelyn Wang kifejlesztett egy új típusú hőelemet. Eszközük működése elsősorban abban áll, hogy a teljes látható fényspektrumot hővé alakítják át szén nanocsövek rétegével. A második fotonikus kristályabszorber / emitter réteg ezt a hőt koncentrálja. Amikor a hőmérséklet eléri az 1000 ° C-ot , új sugárzást bocsát ki. Ez a fotonikus kristályréteg szelektív, lehetővé teszi ennek a sugárzásnak egy keskeny sávjának áthaladását egy fotovoltaikus cella irányába, amely optimalizálva van, hogy ezt a sugárzást villamos energiává alakítsa.
Más félvezetőket (szelén, réz-indium-szelén asszociáció (CIS) vékony filmben) vizsgálnak. Franciaországban a fotovoltaikus energiát kutató és fejlesztő intézet (IRDEP) a CIS iránt érdeklődik, szerény 12% -os hozammal, de alacsony gyártási költség mellett. 2009-ben az ENF adatai szerint 25 vállalat gyártott ilyen típusú napelemeket, a Würth Solar a fő eladó, 2007-ben eladott 15 MWp-val. A Showa Shell 2010 szeptemberében üzembe állít egy 1 MW-os fotovillamos erőművet a "CIS" modulokban. a olajtelephez a Niigata prefektúrában .
KvantumpontokA „ kvantumpontokból ” álló anyagok felhasználása lehetővé teszi a jövőben a 65% elérését (elméleti maximum 87%). A GaAs multi-junction eszközök a leghatékonyabb cellák. A Spectrolab 40,7% -os hatékonyságot ért el 2006 decemberében, és egy konzorcium (a Delaware-i Egyetem kutatóinak vezetésével) 42,8% -os hatékonyságot ért el 2007 szeptemberében.
Szerves napelemekA polimerben található fotovoltaikus cellákból szerves vegyületeket ( műanyagokat ) lehet gyártani rugalmas és könnyű panelek, csempék, vitorlák vagy fotovoltaikus szövetek előállításához, a remény alacsony gyártási költségekkel jár. Jelenleg alacsony a hozamuk (maximum 5%), esetleg az élettartamuk is, és számos technikai probléma megoldásra vár. 2008 elején a japán Fujikura csoport bejelentette miután 1000 órán át 85 ° C-on és 85% -os páratartalom mellett teszteltünk egy Grätzel típusú szerves fotovoltaikus cellát . Nemcsak ellenállóbbnak, hanem 50–70% -kal javított hatékonyságának bizonyult, egy matt felületnek köszönhetően, amely véletlenszerűen szórja a visszaverődő fényt a cella belsejébe, ahol más fényérzékeny pigmentek aktiválásával ismét elektromos töltéseket bocsát ki.