Mi a napelem?

A napelem vagy fotovillamos elem olyan szilárdtest eszköz, amely az elektromágneses sugárzást (fotonbefogást) közvetlenül villamos energiáváalakítja. Az energiaátalakítás alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít, vagyis elektromos áram jön létre. Ez a jelenség bármilyen megfelelő fényspektrummal rendelkező fényforrás esetén is lezajlik, nem szükséges kizárólagosan napfény.

A napelemekre általában 20-25 év a garancia, jellemzően 20-40 év az élettartamuk. A napenergia hasznosításában hosszabb távon számottevő növekedés várható.

Azt az energiát, amely az összes Földön található és kitermelhető kőolajkészletekben rejlik, a Nap 1,5 nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség jelenlegi, évi energiafogyasztását a Nap egy órányi energiakibocsátása teljes egészében fedezné.

Ugyanakkor a napelemek elterjedését nagymértékben hátráltató tényező az áruk, aminek két fő oka az előállításuk energia- és csúcstechnológia-igényessége, a kis széria, továbbá, hogy csak napsütésben képesek hatékonyan működni. Az utóbbi években azonban (főként a kínai napelemgyártás felfutása, és a tömegtermelés megjelenése miatt) folyamatosan csökken a napelemek ára. Korábbi szakmai előrejelzések 2010 utánra várták, hogy a napelemmel termelt áram ára megegyezzen a fosszilis energiatermelés költségével, de ez eddig még nem következett be.

A napelemek fajtái

Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg:

• Egykristályos szilícium (Si) napelemek: drágák, de hatékonyak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenetel rendelkező napelemek esetében)
• Polikristályos Si napelemek: Némileg olcsóbbak de kevésbé hatékonyak. Hatásfokuk 15% körül van.
• Gallium Arzenid vegyület alapú napelemek: A napelemek Rolls Royce-a és rendkívül drága. Akár 8 db réteget (p-n átmenetet) építenek egymásra így a hatásfok elérheti a 44%-ot koncentrált napfényben. Főleg műholdakon használják.
• Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak de hatásfokuk csak 5-8%. Kevesebb szilícium kell a gyártáshoz, mint az egykristályos esetében mert az aktív réteg csak 1 µm vastag
• Egyéb vegyület félvezető alapú napelemek: A hatásfokuk kevesebb, mint 15%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-gallium-szelenid napelemek. Előállításukhoz kevés félvezető alapanyag szükséges mert az aktív réteg csak 1-2µm vastag.
• Szerves festék alapú napelemek: Elektrokémia elven működnek, a fényelnyelő anyag egy szerves festék. A hatásfokuk csak 2-4% azonban a gyártása rendkívül olcsóvá válhat a jövőben.
• Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%

A hatásfok növelésére van lehetőség azonban ez bonyolultabb technológiát igényel, ami drágább előállítást von maga után. Az elméleti hatásfok limit (33,7%) átléphető ha több vékonyréteg napelemet (p-n átmenetet) építenek egymásra, melyek lépésenként egyre rövidebb fényhullámhosszra érzékenyek. Ezen felül a hatásfok tovább növelhető ha nagyobb fénykoncentrációval (500X) üzemelnek, amit lencsék[3] vagy tükrök alkalmazásával érnek el. Alapvetően elmondható, hogy fejlesztések manapság általában nem a nagyobb hatásfok, hanem a hatásfok x élettartam/gyártási költség irányában folynak, hogy a megtérülési idő minél rövidebb legyen. Ezt a célt a vékonyréteg napelemek hivatottak elérni mert ugyan a hatásfokuk kevesebb, azonban az előállításukhoz 100-szor kevesebb drága félvezető alapanyag szükséges, ami sokkal olcsóbbá teheti őket a hagyományos szilícium társaikhoz képest