Mérföldkőhöz ért a napelem-technológia fejlődése, miután a német Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE világcsúcsnak számító 47,6 százalékos hatékonyságú napelemcellát fejlesztett ki. Az első cellák hatékonysága még az 1 százalékot sem érte el.
A Fraunhofer munkatársai a két évvel ezelőtt elindított, beszédes „50 százalék” nevű projekt keretében fejlesztették ki az új világrekordot felállító napelemcellát. Az új csúcsot nem a házak tetején vagy a szántóföldeken is látható naperőművek alapegységeinek számító hagyományos, kristályos szilícium napelem technológiájának továbbfejlesztésével, hanem az úgynevezett koncentrált vagy több (négy) csomópontú fotovoltaikus technológia alkalmazásával érték el. Az eddig alkalmazott szilícium napelemcelláknak egyetlen félvezető csomópontjuk volt, míg a koncentrált napelemeknek több.
Forrás: www.ise.fraunhofer.de
A német gazdasági és klímaügyi minisztérium által finanszírozott program célja egy 50 százalékos hatékonyságú cella megalkotása. Ezt a komplex, több csomópontú napelem minden egyes rétegének további optimalizálásával kívánják elérni. A mostani csúcsdöntést az alkalmazott fémérintkezők és tükröződésgátló rétegek továbbfejlesztésével sikerült véghez vinni, a cellák hatékonysága ugyanis a napelem felületéről visszaverődő fény mennyiségének minimalizálásával is növelhető. A hasonló technológián alapuló eddigi 47,1 százalékos rekord a tengerentúli National Renewable Energy Laboratory (NREL) nevéhez fűződött, és mindössze két évig élt.
Mit tudtak a 19. századi napelemcellák?
Lényeges megjegyezni, hogy az egyes napelemcellák hatékonysága nem egyenlő az ezekből felépülő napelemmodulok hatékonyságával, amit a cellák elrendezése, konfigurációja és a panel mérete is befolyásol. Míg utóbbiak napjainkban jellemzően a rájuk eső napsugárzás 15–22 százalékát alakítják át villamos energiává, addig a napelemcelláké ennél jóval magasabb is lehet. Ennek egyik fő oka az, hogy a napelemcellák teljesítményét a valós életkörülményektől többnyire eltérő laboratóriumi körülmények között tesztelik. Továbbá, míg a hatékonysági értékek a napenergia villamos energiává alakításának hatékonyságát jelzik, léteznek ma már olyan „napelemek”, például szolárablakok, amelyek az elektromosság mellett hőt is képesek termelni. Ezek esetében pedig a napenergiának hőenergiává való konvertálásának a hatékonyságát is megadják.
A különféle napelemcellák hatékonysága az idők folyamán folyamatosan javult, ahogyan ezt az NREL híres grafikonja is mutatja. A diagramon látható, hogy bizonyos technológiák esetében nem ritka, hogy évtizedek alatt is csak minimálisnak tűnő mértékben növekszik a hatékonyság, ugyanakkor – részben a viszonylag alacsony bázisértékek miatt – a napelemcelláknál már néhány tizedszázalékos javulás is jelentős eredménynek mondható. Az ábra azt is szemlélteti, hogy az elmúlt szűk fél évszázadban számos új cellatípus is megjelent, gyakran a már meglévő technológiák leágazásaként.
Miután Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus 1839-ben felfedezte a fotovoltaikus hatást, már a 19. században elkészültek az első napelemcellák, ám ezek hatékonysága még az 1 százalékot sem érte el. 1955-ben a Hoffman Electronics 2 százalékos hatékonyságot ért el, amit 1957-ben 8, egy évvel később 9, 1959-ben pedig 10 százalékra tudott emelni. A hatékonyság 1960-ban 14 százalékra ugrott a cég fejlesztéseinek eredményeképpen. A napjainkban legelterjedtebb szilícium napelemcella elődjét, pontosabban a monokristályos szilícium napelemcella gyártására való kiemelkedő alkalmasságát 1918-ban fedezte fel Jan Czochralski lengyel tudós. Az első, monokristályos szilíciumot alkalmazó napelemcellát azonban csak 1941-ben, az első valóban használható szilícium napelemet pedig 1954-ben alkotta meg a Bell, körülbelül 6 százalékos hatékonysággal.
Kapcsolódó bejegyzések
Technológiai forradalom küszöbén a napelempiac – jönnek az átlátszó panelek
A napenergia előretörőben van, de még mindig kisebbik részét teszi ki az energiamixnek. Nézzük, milyen technológiai újítások jönnek!
Harc a világ legerősebb napeleméért
Nagyrészt a cellák hatékonyságjavulásának köszönhetően az elmúlt években az új gyártású panelek átlagos hatékonysága 15 százalékról jóval 20 százalék fölé emelkedett. Ezzel párhuzamosan a kiskereskedelmi forgalomban kapható panelek teljesítménye is jelentősen nőtt, átlagosan 250 wattról 400 watt közeli szintre. A háztartási méretű kis napelemes rendszerek, valamint az ipari méretű naperőműveket alkotó modulok szilíciumkristályos szerkezetre épülő technológiája ugyan megegyezik, de bizonyos eltérések mégis akadnak a két terméktípus között. A háztetőkre kerülő modulok jellemzően kisebb teljesítményűek, és az egy-két évvel ezelőtti technológiai fejlettségi szintet képviselik. Ezek teljesítménye 300–350–400 watt körül alakul, míg a nagy erőművekbe épített panelek teljesítménye már 600 watt körül jár, miután az új panelek teljesítménye évente mintegy 100 wattal növekszik.
A gyártók versengésének középpontjában az utóbbi években a világ legerősebb napelemmoduljának kifejlesztése áll. Ez messze nemcsak a hatékonyságról és a technológiai innovációról szól, hanem a panelek méretének növeléséről is. A világ jelenleg legerősebb, 800 watt teljesítményű – egy kínai gyártó által kínált – napeleme 2,2 méter hosszú, 1,75 méter széles, és a találó, bár nem túl fantáziadús „Jumbo” nevet viseli.
2021-ben a korábbinál több gyártó jött ki új, hatékonyabb napelemekkel, elsősorban az N-típusú (negatív töltésű), úgynevezett HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) hibrid napelem-technológiára alapozva, amely két különböző technológiát ötvöz. A fogyasztói napelemek piacán viszonylag újnak számító termékben két, úgynevezett vékony filmes vagy vékony rétegű (vagy amorf szilícium) napelemréteg „szendvicsébe” egy kristályos szilíciumcella kerül. Ezek egymást kiegészítve a napfény szélesebb spektrumából képesek elektromosságot termelni, ami kedvezően befolyásolja hatékonyságukat. Ennek eredményeként most először a kiskereskedelmi forgalomban megvásárolható, „háztartási méretű” 6 legnagyobb hatékonyságú napelemmodul mindegyikének hatékonysága meghaladja a 22 százalékot.
A világon gyártott összes fotovoltaikus napelem körülbelül 95 százalékát a szilíciumalapú PV-technológia tette ki 2020-ban. A legnagyobb, 84 százalékos piaci részesedésük a monokristályos napelemeknek van (a 2019-es 66 százalékot követően). A monokristályos technológia laboratóriumi körülmények között elért maximális hatékonysága 26,7 százalék, a polikristályos celláké 24,4 százalék, a vékonyfilm-technológiáé 21–23,4, míg a perovszkit napelemek esetében 25,5 százalék körül van az aktuális hatékonysági csúcs.
