Napelemek Bársony István, Gyulai József, Lábadi Zoltán MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet (MTA MFA) 1121 Budapest Konkoly Thege Miklós út 29-33 A Föld erőforrásainak fokozódó és felelőtlen felélése miatt egyre égetőbb fontosságú olyan technológiák és módszerek kidolgozása, amik a természettel harmóniában és fenntartható módon szolgálják ki az emberiség folyamatosan növekvő energiaigényét. Az ilyen, megújulónak nevezett energiaforrások közül egyik legígéretesebb megoldásnak a napelemek tűnnek. Napelemek alatt a nap fényét valósidejű módon elektromos árammá alakító fényelektromos eszközöket értjük, bár a köznyelvben - helytelenül - a napsugárzást hővé alakító napkollektorokat is ide sorolják. A fotoelektromos jelenség Alexandre Edmond Becquerel általi 1839-es első megfigyelésétől és Albert Einstein 1904-es, Nobel díjat érő fizikai magyarázatától kezdve a fényt elektromos energiává alakító napelemek technológiai fejlődése töretlen. Az elmúlt évtizedekben a kutatások eredményei nemcsak a tömegtermelésben jelentek meg, de egymással versengő, újabb és újabb megoldások megjelenését is eredményezték a rohamosan táguló piacon. A különböző megoldások és technológiák abban közösek, hogy a szerkezet alapvetően két kontaktus közötti pn átmenetből állnak, azaz a fotogenerált töltéshordozó párok szétválasztását célzó beépített elektromos erőtérre épülnek. Amikor egy megfelelő energiájú foton a pn átmenet közelében elnyelődik, a zárórétegen át felépülő térerő által szétválasztott töltéshordozók a megfelelő kontaktusokon át elvezetve elektromos áramot hoznak létre. Igazi nagy előnye ennek a módszernek az, hogy a fény elektromos árammá történő átalakítása mozgó alkatrész nélkül, közvetlen módon történik, ráadásul a napelemek addig működnek, amíg fény éri a szerkezetet. Tartósságuk igazi bizonyítéka, hogy a legtöbb gyártó eleve 30 év garanciát vállal termékére, de a legtöbb esetben nem ismert olyan degradációs mechanizmus, ami a cellák későbbi romlására engedne következtetni.
Napelemek fajtái A fentebb vázolt egyszerű elv sokféle megvalósítást tesz lehetővé, melyeket két nagy csoportba szokás sorolni. Az 1 a. ábrán megfigyelhető első generációs, tömbi napelemszerkezet igazi nagy különbsége a 1 b. ábrán látható második generációs vékonyréteg, pl. réz-indium-diszelenid (CIGS) vékonyréteg szerkezethez képest, hogy az előbbiben a napelemet tömbi anyagban, a hagyományos IC gyártás költségesebb lépéseivel alakítják ki, míg az utóbbiban különálló vékonyrétegek egymásra építésével alakítják hozzák létre a fényelektromos konvertáló szerkezetet. a. b. 1. ábra: Első generációs egykristályos Si (a) és második generációs CIGS (b) napelemek vázlata Első generációs napelemet egykristályos és multikristályos Si (szilicium), GaAs (gallium-arzenid) és Ge (germánium) alapanyagokból állítanak elő.
Egykristályos és polikristályos szilicium: A Si alapanyag igazi előnye, hogy nagy mennyiségben áll (oxid formájában) rendelkezésre, és az IC gyártáshoz előállított egykristályos alapanyag selejtjét is képes polikristályos alapanyag előállítására hasznosítani, ami az amúgy igen magas gyártási költségeket csökkenti. A termelés volumenének drasztikus megnövekedése miatt azonban ez a hulladék mára már nem képes fedezni az ún.multikristályos napelemgyártás igényeit, ami új, olcsó alapanyagelőállítási technológiák kifejlesztését tette szükségessé. Mindazonáltal egyelőre ez a technológia a legkiforrottabb és ezáltal az uralkodó is a piacon. A világon üzembe állított napelemek több, mint 80%-a tömbi Si technológiával készült. Egy átlagos multikristályos fotovillamos cella (2. ábra) hatásfoka 15% fölött is lehet. 2. ábra: Multikristályos Si cella GaAs és Ge: A GaAs és a Ge napelemek többnyire az igen magas hatásfokot igénylő alkalmazásokban kapnak szerepet. Tipikus felhasználási területük az űrkutatás, ahol az előállítás költsége kisebb súllyal esik latba, mint a napelem hatásfoka. Ezeket a kisméretű cellákat ún. koncentrátorral kombinálják (3. ábra), ami mind az energiasűrűség növelése, mind a költséghatékonyság szempontjából előnyös. Lényege, hogy a nap fényét lencsékkel, illetve tükrökkel a cella tényleges méretének sokszorosát kitevő felületről gyűjtik össze, így a drága és kifinomult technológiával készült kicsiny cellából lényegesen kevesebb szükséges. A koncentrált sugárzás tovább növeli a cellák amúgy is magas, nem ritkán 30% fölötti hatásfokát is, bár ilyen alkalmazásoknál az aktív hűtés elengedhetetlen. 3. ábra: koncentrátoros napelemmodul Második generációs, vagy vékonyréteg napelemeket leginkább amorf és mikrokristályos Si, CdTe (kadmium-tellurid) és réz-indium-diszelenid (CIGS) alapanyagokból állítanak elő. Igazi előnyük a kis alapanyagigény mellett, hogy nagy felületen olcsón állíthatók elő, valamint, hogy hordozójuk közönséges
ablaküvegen kívül hajlékony polimer vagy fémfólia is lehet (4. ábra), ami a gyártás optimalizálás mellett a sokoldalú alkalmazhatóságot növeli. 4. ábra: Flexibilis hordozóra leválasztott vékonyréteg napelem Amorf és mikrokristályos szilicium: Az olcsó és hozzáférhető alapanyag és gyártástechnológia mellett az amorf és mikrokristályos Si cellák hátránya, hogy amúgy is alacsony, 7-8% körüli hatásfokuk idővel némiképp romlik. Egyes gyártók ezt a degradációt már elhanyagolható szintre csökkentették egyebek közt az amorf aktív réteg mikrokristályosításával. CdTe: Az új technológiák közül az egyik, nagy reményekkel kecsegtető a CdTe vékonyréteg napelem szerkezet. Olcsó gyártási költségek mellett magas, 10% körüli hatásfokot lehet elérni. Robbanásszerű elterjedésnek némiképp gátat szab az alapanyagok és technológiák környezetre káros volta, amit viszont a gyártó az elhasznált napelemek visszavásárlásával és központi kármentesítéssel kompenzál. CIGS: A CdTe cellák nagy riválisa a környezetbarát CIGS napelemcsalád. Alapanyagaik sokfélesége és változatossága miatt ez a technológia óriási potenciállal rendelkezik a kutatók számára. A jelenlegi igen magas, 12% körüli hatásfok további fejlesztéssel akár még 18% fölé is növelhető. Pillanatnyilag hátránya a magasabb gyártási költség, melynek egyes gyártók a drasztikus csökkentését ígérik a forradalmi újításoknak köszönhetően. A vékonyéteg napelemek az iparág dinamikusan növekvő szegmensét alkotják. Piaci résesedésük a 2007-es 10%-ról 2009-re már 19%-ra nőtt.
Harmadik generációs napelemek fejlesztése a jövő ígérete Az első generációs tömbi, valamint a második generációs vékonyréteg technológiák ipari alkalmazása mellett világszerte folynak kutatások új elveken és konstrukciókon alapuló napelemek technológiai fejlesztésére. Ezek elsősorban nanoszerkezetek és polimerek, ún. nanokompozitok felhasználásán alapulnak. Nanokristályos napelemek: Ezeket az eszközöket kompozitok (több fázist tartalmazó szilárd anyagok) felhasználásával alakítják ki. Nanokompozit anyagról akkor beszélhetünk, ha legalább az egyik fázis mérete olyan, hogy valamely dimenzióban kisebb 100 nanométernél azaz a molekuláris és a makroszkopikus méretek között helyezkedik el. Az ilyen anyagokat komponenseikhez képest új tulajdonságok speciális kvantumhatások és a nagy fajlagos felület miatt létrejövő új jelenségek jellemzik. A nanokompozit anyagok lehetnek kerámia, fém vagy polimer hordozóban (mátrixban) diszpergálva. Morfológiailag lehetnek nano-csövek, -szálak és -részecskék formájában kialakítva. Előállításukra is számos különféle (nedves kémiai, gőzfázisú, elektrokémiai valamit vákuumporlasztásos) technológiát alkalmaznak. A számtalan kutatási szakaszban lévő napelemkonstrukció közül az 5. ábra példaképpen egy nanopórusos titándioxiot tartalmazó, szerves festékanyaggal érzékenyített napelemcellát mutat be. A struktúra leglényegesebb eleme az, hogy az elektrolit és a nanopórusos TiO 2 határfelülete a beeső fény 80%át abszorbeálja. 5. ábra: Nanopórusos titándioxiot tartalmazó, szerves festékanyaggal érzékenyített napelemcella (az ún. Grätzel-cella) keresztmetszete (forrás: http://www.umk.fi/en/newsletter_newsletter_0108_aitola_more.html)
Polimer alapú (szerves) napelemek: A szerves polimer alapú napelemeket jellemzően nanokompozit vékonyréteg formájában készítik. Lényeges előnyük az, hogy alacsony költséggel állíthatók elő, valamint az, hogy az ismert nyomtatási eljárásokkal (pl. tintasugaras nyomtatás) merev és flexibilis felületekre egyaránt felhordhatók. Ugyanakkor számos problémát is felvetnek, elsősorban a fotokémiai degradáció jelenségét, valamint azt hogy hatásfokuk jelenleg még jóval 10% alatt jár. Napelemek kutatása az MTA MFA-ban Az MTA MFA-ban egy 2007 nyarán zárult NKFP projekt keretében megépült egy kísérleti integrált vákuumtechnikai rétegleválasztó berendezés CIGS napelem rétegszerkezet kialakítására30x30cm 2 -es üveg szubsztrát felületén. A rendszert az Energosolar Rt. tervezte és építette meg. A berendezést és a leválasztott rétegszerkezet elvi keresztmetszeti rajzát a 6. ábrán láthatjuk. 6. ábra Integrált vákuumrendszer CuInGaSe 2 vékonyréteg napelem előállítására az MTA MFA-ban és az előállított rétegszerkezet keresztmetszete.
A Napból érkező energia nagyságrendje Az Európai Bizottság Egyesített kutatóközpontjának adatai szerint (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/) Magyarország területén a napsugárzás átlagos teljesítménye (7. ábra) (horizontálisan elhelyezett mérőfelületen) 1200 kwh/m 2 /év (ez az adat mérési eredményekből képzett átlag, figyelembe veszi az éghajlati és domborzati tényezőket is.) 7. ábra: Magyarország területén mért éves napsugárzási (inszolációs) teljesítmény (Forrás: European Commission Joint Research Center, http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/) Figyelembe véve, hogy a 93000 km 2 területű Magyarország éves elektromosenergia-fogyasztása 40 TWh, megállapítható, hogy a Napból érkező energia kb. 2500-szorosa a teljes elektromosenergia-igényünknek! (8. ábra) 8. ábra: A Napból érkező sugárzási energia havi átlagértékei Magyarországon
Magyarországon tehát nincsenek meteorológiai okokból eredő gazdasági korlátai a napelemek alkalmazásának, bár kétségtelen, hogy a Napból éves viszonylatban beérkező sugárzási energia az egyenlítőhöz közelebb nagyobb, mint a sarkok felé. Viszonylag kedvezőtlen földrajzi elhelyezkedése ellenére a világ egyik leginkább fejlődő napelempiaca Németország, melynek még a legdélibb területeire érkező sugárzási energia sincs annyi, mint hazánk legrosszabb mutatóval rendelkező vidékein (9. ábra). Így a hazai felhasználásnak mindenképpen van reális lehetősége. 9. ábra: Európa területén mért éves napsugárzási teljesítmény
A napelemes rendszereket a felhasználás szempontjából is érdemes különválasztani szigetüzemű és a hálózatra kapcsolt rendszerekre. A hálózatra kapcsolt rendszer komoly előnye, hogy elhanyagolható veszteséggel, töltéstárolók költségei nélkül telepíthető, de kizárólag olyan helyen, ahol hálózati áramellátás már rendelkezésre áll. Ezek a rendszerek aztán a hálózatra kapcsolt háztartási méretű kiserőműként (<50kW) egy oda-vissza mérő villanyóra segítségével az elektromos hálózatra dolgoznak. Ahol erre nincsen mód, ott a megtermelt energiát tárolni kell, aminek plusz költségei és környezeti terhelése van. Azokban az esetekben viszont, amikor nem lehet a hálózatra kapcsolódni, sokszor ez az egyetlen lehetőség áramhoz jutni. A napelemes rendszerek széleskörű felhasználására néhány példa: villamos hálózattól távol eső lakóházak, hétvégi házak, üdülők, turistaházak, tanyák, gazdasági épületek, létesítmények áramellátása, vízszivattyúzás energiaellátása, biztonsági, illetve vagyonvédelmi rendszerek áramellátása, közvilágítás biztosítása, közúti jelzőrendszerek áramellátása. A 10. ábra a világ energiaellátása elsődleges forrásainak összetételét mutatja, a főbb megújuló források részletezésével. Amint az ábrán látható, 2008-ban a megújuló energiaforrások a világ összes energiaellátásából (132 000 TWh) már 19%-kal részesedtek, ezen belül pedig meghatározó szerepe egyelőre a biomasszából előállított tüzelőanyagoknak (13%) és a vízi energiának (3,2%) van. 10. ábra: Megújuló energiaforrások részeesedése a világ energiatermeléséből 2008-ban (Forrás: Renewables 2010 Global status report, REN21 Renewable energy policy network for the 21st century)
Habár a napenergia felhasználása egyelőre még világméretekben nem meghatározó, ennek ellenére ez a szektor mutatja a legdinamikusabb növekedést. Jól érzékelteti ezt az a két adat, hogy a 2004 és 2009 közötti öt éves időszakban a hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek kapacitásának éves növekedési üteme 60%, az erőművi méretekben folyatott napelemes energiatermelés éves növekedése pedig 100% felett volt! (Ugyanez az adat szélenergia esetében 27%, bioetanolnál pedig 20%). Ezen értékek összevetése jól mutatja azt, hogy a napenergia kihasználása dinamikus növekedést mutat és a folyamatnak még csak a kezdetén tartunk. A napelemek igazi előnye az alábbiakban foglalható össze: 1. Tetszőleges méretű rendszereket lehet kialakítani Szemben a szél és vízerőművekkel, a napelemes rendszerek az egészen kis energiaigényű berendezések áramellátásától az erőműi méretekig tetszőlegesen méretezhetőek. 2. Forgó alkatrész nélkül működnek A mozgó és forgó alkatrészeket tartalmazó berendezések meghibásodási lehetősége radikálisan nagyobb, mint az azokat nélkülözőké. Ez kritikus szempont egy olyan rendszer esetében, melynek működését több, mint 30 évre tervezik. 3. Karbantartást szinte nem igényelnek Eltekintve az évenkénti néhányszori tisztítástól, melyet sok esetben a csapadék is megfelelően biztosít, a napelemek gyakorlatilag nem igényelnek karbantartást. 4. Élettartamuk szinte korlátlan A napelemek működési elvéből adódóan nem ismeretes olyan fizikai folyamat, amely hatására a napelemek lemerülhetnek. 5. Hangtalanul működnek Szemben a víz és szélerőművekkel a napelemek mechanikai áttétel nélkül, direkt módon alakítják a fényt elektromos árammá, ami a teljesen hangtalan működést teszi lehetővé. 6. Építészetileg könnyen integrálható rendszerek Tekintve, hogy a napelemek alapjaiban véve nem robosztus szerkezetek, könnyen szerelhetők tetőre, de új épületek tervezésénél modern és dekoratív megjelenésük révén az épület integráns részét képezhetik.