A napelemek olyan berendezések, amelyek a felületükre érkező napsugárzást közvetlenül villamos energiává tudják alakítani. Elvi felépítésüket tekintve egy félvezető diódával egyeznek meg, így működési elvük megértéséhez elengedhetetlen ezek alapvető ismerete is. A gyakorlatban a szilícium alapú napelemek messze a legelterjedtebbek, így a következőkben az egyszerűség kedvéért a szilíciumra vonatkoztatva mutatom be a működést, de az elv hasonló az egyéb félvezetők esetében is.
Félvezetők elméleti háttere
Az anyagok atomokból épülnek fel, amelyek két fő része az atommag és az elektronburok. Az elektronok különböző elektronhéjakon helyezkednek el, amelyekhez az atommagtól távolodva egyre magasabb energiaszint tartozik. Az atomok tulajdonságait döntően a leggyengébben kötött, tehát legmagasabb energiájú külső elektronhéjon (ún. vegyértékhéjon) található elektronok határozzák meg. Az atomokban az elektronhéjakon belül az elektronok diszkrét pályákon tartózkodnak, melyek mindegyikéhez egy meghatározott energiaszint tartozik, így az elektronok energiája nem vehet fel tetszőleges értéket. Szilárd testek esetében ezek a pályák sávokká szélesednek, egy-egy sávon belül az elektron energiája tehát nem csak egy konkrét értéket vehet fel, hanem egy tartományon belül változhat. A sávok szélessége az atomi elektronpályáktól és a kristályszerkezettől is függ, így bizonyos anyagok esetében ezek akár át is fedhetnek, amennyiben azonban nem érnek össze, akkor ún. tiltott sáv marad köztük, amely be nem tölthető energiaszinteket jelent.
Szilárd testek esetében vegyértéksávnak nevezzük azt a legkülső energiasávot, amelyben még elektronok találhatóak. Az vegyértéksáv felett található (magasabb energiájú) sávot vezetési sávnak nevezzük, mivel az itt található elektronok szabadon elmozdulhatnak az atomok közt, ezáltal elektromos vezetést hozva létre. Fémek esetében a vezetési és a vegyértéksáv energiaszintje átfed, a két sáv nem különül el egymástól, a vegyértékelektronok így szabadon mozoghatnak a kristályrácson belül, ebből fakad a fémek jó vezetőképessége. A szigetelő anyagok esetében más a helyzet: a vegyértéksáv teljesen betöltött, így ott az elektronok nem tudnak elmozdulni, és nem hozhatnak létre vezetést. A vezetési sávban ezzel szemben nem találhatóak elektronok, a kettő közt pedig egy széles tiltott energiasáv van, ami meggátolja, hogy a vegyértékelektronok a vezetési sávba átlépve vezetést hozzanak létre.
A félvezető anyagok sávszerkezete a szigetelőkhöz hasonló: egy betöltött vegyértéksáv felett egy üres vezetési sáv található, a kettőt elválasztó tiltott sáv szélessége azonban kisebb, így az elektronoknak kisebb gerjesztés hatására is lehetőségük van átlépni azt. Gerjesztés esetén egy elektron átlép a vezetési sávba, ahol szabadon elmozdulhat az atomok közt, míg a helyén egy elektronhiány, ún. lyuk marad. Ez a lyuk szintén elmozdulhat az atomok közt azáltal, hogy az elektronhiányt valamelyik szomszédos elektron tölti be, majd annak a helyét egy távolabbi szomszédja, és így tovább. A lyuk lényegében egy negatív elektron hiánya, így kvázi egy pozitív töltéshordozónak tekinthetjük, az általa létrehozott vezetést pedig lyukvezetésnek nevezzük. Ezt a jelenséget, amikor egy félvezetőben az elektron a vezetési sávba lép, másképpen elektron-lyuk párok keletkezésének is nevezzük.
Szilárd testek sávszerkezete. A függőleges tengelyen felfelé az egyre magasabb energiaszinteket találjuk, míg a fekete a betöltött, a fehér pedig a betöltetlen energiaszinteket jelöli. Félvezetők és szigetelők esetén megfigyelhető a betöltött vegyérték és a betöltetlen vezetési sáv közti tiltott sáv [1]
A hőmérséklet emelkedésével az elektron-lyuk párok száma megnövekszik, így egyre több az anyagban a szabadon elmozdulni képes töltéshordozók száma, tehát nő a félvezető vezetőképessége. Ez az oka vannak, hogy a fémekkel ellentétben a félvezetők ellenállása magasabb hőmérséklet esetén nem növekszik, hanem csökken.
Az egyes energiaszintek betöltésének valószínűségét az Fermi–Dirac-eloszlás írja le, amit nagyban befolyásol az abszolút hőmérséklet. Fermi-szintnek (EF) nevezzük azt az energiát, amelyre szükségünk van ahhoz, hogy egy további elektront hozzáadjunk a szilárd testhez. Ez tulajdonképpen az az energiaszint, ami alatti elektronpályák jellemzően be vannak töltve, a felette levők pedig jellemzően nem. Fémek esetében, a korábban leírtaknak megfelelően a Fermi-szint egy megengedett energiasávban, míg a félvezetők és szigetelők esetén a tiltott sávban található, utóbbi esetben tehát a vegyértéksáv teljesen betöltött, míg a vezetési sáv üres. A valóságban azonban a Fermi-szint csak igen alacsony hőmérséklet esetén jelent ilyen éles határt, a hőmérséklet növekedésével egyre nagyobb annak a valószínűsége, hogy a vegyértéksávban is találunk üres helyeket, míg ezzel összhangban a vezetési sávban is elektronokat. Ezt a valószínűséget írja le a Fermi–Dirac-eloszlás, és lényegében ez az a jelenség, amire termikus gerjesztésként hivatkozunk.
Magasabb hőmérsékelten a betöltött és betöltetlen sávok közti éles határ elsimul, az elektronok egyre nagyobb valószínűséggel megjelennek a Fermi-szintnél magasabb energiaszinteken is [2]
Felvezetők adalékolás (p- és n-típus)
A leggyakoribb félvezető a szilícium, amely a periódusos rendszer IV. főcsoportjába tartozik, tehát négy külső (vegyérték) elektronnal rendelkezik. A szilícium kristályban az atomok tetraéderes kristályrácsban helyezkednek el, így minden szilícium atomnak négy szomszédja van, a négy vegyérékelektron ezekkel alkot kovalens kémiai kötést. Ezek a kovalens kötésben résztvevő elektronok alkotják a fentiekben bemutatott betöltött vegyértéksávot. A kristályrács kétdimenziós reprezentációját az alábbi ábra mutatja.
Szilícium kristályrács tiszta szilícium, illetve p- és n-típusú adalékolás esetén: az n-típusnál megfigyelhető az elektronhiány (lyuk) a vegyérték elektronok közt, míg a p-típusnál a többlet, kovalens kötésekben részt nem vevő, vezetési sávba kerülő elektron
A félvezetők tulajdonságai adalékolással (szennyezéssel) befolyásolhatók, melynek során a szilícium atomok közé a szomszédos főcsoportokba tartozó atomokat, leggyakrabban bórt és foszfort juttatunk:
- p-típus: a bór a III. főcsoportban található, így mindössze 3, a szilíciumhoz képest egyel kevesebb vegyértékelektronnal rendelkezik. Minden, a rácsba beépült bóratom hatására tehát egy elektronhiány, vagyis lyuk jön létre, a vegyértéksáv így nem lesz teljesen betöltött, a lyukak pedig a kristályrácsban elmozdulva növelik a vezetőképességet. A lyukvezetés során a pozitív töltésű lyukak a szabadon elmozduló töltéshordozók, ezért ezt p-típusú félvezetőnek nevezzük.
- n-típus: a foszfor az V. főcsoportba tartozik, így az 5 vegyértékelektron közül csak 4 képes beépülni a kristályrács kovalens kötéseibe, az ötödik a vezetési sávba kerül és szabadon mozoghat a kristályban. A vezetést a negatív töltésű elektronok okozzák, ezért ezt n-típusú félvezetőnek nevezzük.
A p- és n-típus nem elektrosztatikus töltésre utal, hiszen mindkét anyag semleges: amennyivel több vagy kevesebb elektron található bennük, ugyanannyival több, illetve kevesebb proton található a foszfor-, illetve bóratommagokban is. Bár a p-típusú félvezetőbe a lyukak dominálnak, a termikus gerjesztés hatására kis számban szabad elektronok is találhatóak a vezetési sávban, és ez megfordítva igaz az n-típusra is.
Szabadon mozgó töltéshordozók a p- és n-típusú félvezetőkben
Mindkét típusú szennyezés szabadon mozgó töltéshordozókat juttat az anyagba, így növeli a félvezető vezetőképességét, a gyakorlati alkalmazásuk azonban nem ezen tulajdonságuk köré épül. Több p- és n-típusú rétegek egymás mellé helyezéséből összetett elemek, pl. diódák és tranzisztorok hozhatók létre.
Diódák működési elve
A dióda egy p- és egy n-típusú félvezető rétegből épül fel, amelyek határfelületét p-n átmenetnek nevezzük. Az n-oldalon levő elektronok magasabb energiaszinten vannak, mint a p-oldalon levő lyukak (hiszen előbbiek a magasabb energiájú vezetési, míg utóbbiak az alacsonyabb vegyértéksávban találhatóak), így az energiaminimumra törekvés értelmében az elektronok átdiffundálnak a határfelületen, és betöltik a p-oldalon levő lyukakat (más szóval az elektronok és lyukak rekombinálódnak). Az átlépő elektronok hatására az n-oldalon lecsökken, míg a p-oldalon megnő a negatív töltésű elektronok száma, tehát az n-típusú félvezetőben pozitív, míg a p-típusúban negatív elektrosztatikus töltés alakul ki. Az elektrosztatikus töltés elektromos térerősséget, és ezáltal egy potenciálgátat hoz létre, ami gátolja a további elektronok átlépését a p-oldalra. A folyamat tehát addig tart, amíg a potenciálgáton történő átjutáshoz szükséges energia el nem éri az elektronok alacsonyabb energiaszintre jutásából fakadó energianyereséget, így ez egész jelenség csak a p-n átmenet közelébe korlátozódik. A határfelület közelében a rekombináció hatására eltűnnek a szabad töltéshordozók, melyek helyére a kialakult elektrosztatikus töltés miatt nem is lépnek újak, így egy ún. kiürített réteg alakul ki.
Potenciálgát és kiürített réteg kialakulása egy p-n átmenet határfelülete mentén
A diódákat egyenirányításra használjuk, mivel nyitóirányban kis feszültségesés árán átengedik a villamos áramot, ezzel ellentétes irányú (záróirányú) feszültség esetén azonban nem. Nyitóirányú feszültségről akkor beszélhetünk, ha (az alábbi ábrának megfelelően) a feszültségforrás pozitív pólusát a p-oldalra, míg a negatív pólust az n-oldalra kapcsoljuk. Ebben az esetben a diódára juttatott feszültség ellentétes irányú a p-n átmenet mentén kialakult potenciálgáthoz képest, így annak ellenében képes elektronokat és lyukakat juttatni a kiürített rétegbe. A feszültség növelésével csökken a kiürített réteg vastagsága, és amennyiben a feszültség meghaladja a potenciálgát nagyságát (ezt küszöbfeszültségnek nevezzük, és szilícium diódák esetében jellemző értéke 0,7 V), akkor a kiürített réteg teljesen megszűnik, és a dióda szabadon vezeti az elektromos áramot. A diódán eső feszültség ilyenkor csak alig függ az áramerősségtől, és közelítőleg a küszöbfeszültséggel egyezik meg – ettől a kis feszültségeséstől eltekintve a diódát nyitó irányban rövidzárnak tekinthetjük.
A potenciálgátat (küszöbfeszültséget) meghaladó nyitóirányú feszültség esetén kiürített réteg eltűnik és a diódák jól vezetik az elektromos áramot
Záróirányú kapcsolás esetén a diódára kapcsolt feszültség iránya megegyezik a potenciálgát irányával. A pozitív pólust a p-oldalra kapcsoljuk, amely így magához vonzza az ott található elektronokat, míg a negatív pólus az n-oldalon a lyukakat vonzza. A szabadon mozgó töltéshordozók eltávolodnak a határfelülettől, így a kiürített réteg szélessége megnövekszik, ami tovább gátolja az elektromos áram vezetését, a dióda tehát jó közelítéssel szakadásként viselkedik. Valójában egy kis mértékű (szilícium esetében jellemzően nanoamper nagyságrendű, szinte elhanyagolható) záróáram ilyenkor is folyik a termikus gerjesztés hatására létrejövő elektronok és lyukak miatt. A dióda záró tulajdonságait egészen az ún. letörési feszültségig képes megőrizni, magasabb feszültség esetén azonban az áramerősség értéke hirtelen megugrik. Ennek oka, hogy a nagy feszültség hatására az elektronok olyan nagy energiára tesznek szert, hogy képesek további kötött elektronokat kiszakítani a vegyértéksávból, így lavinaszerűen megnövelve a szabadon mozgó töltéshordozók számát (ezt a jelenséget lavina-effektusnak is nevezzük). A magas feszültség és áram együttesen jelentős hőtermeléssel is jár, így ez általában a dióda tönkremeneteléhez vezet.
Záróirányú feszültség esetén a kiürített réteg kiszélesedik, így a diódák nem vezetik az áramot
Napelem mint fotodióda
A diódák működésének megértése után már csak egy lépésre vagyunk a napelemek működési elvétől, hiszen a napelemek lényegében nagy felületű fotodiódák. Fotodiódának az olyan diódákat nevezzük, ahol a vezetés fény hatására jön létre.
A napsugárzás elemi energiacsomagokból, fotonokból áll, amelyek a félvezető belsejébe behatolva gerjesztik a vegyértéksáv elektronjait, és azokat a vezetési sávba juttatva elektron-lyuk párokat hoznak létre. A kiürített sávban kialakult elektrosztatikus töltés hatására ezek szétválnak, az elektronok a pozitív töltésű n-oldalra, míg a lyukak a negatív p-oldalra gyűlnek. Ez a töltésmozgás záró irányú áramnak feleltethető meg, melynek áramerősségét a fotonok által keltett elektron-lyuk párok száma, tehát közvetve a sugárzás intenzitása határozza meg. Az n-oldalon felgyűlt elektronok hatására az ottani kontaktuson negatív, míg a p-oldalon pozitív töltés halmozódik fel, melynek hatására feszültség jön létre. Amennyiben ez a feszültség kisebb, mint a p-n átmeneten kialakult potenciálgát, akkor a töltéshordozók nem a félvezetőn belül, hanem egy külső áramkörön keresztül rekombinálódnak, így egyenáram jön létre: a napelemek energiát termelnek.
A napsugárzás hatására a kiürített rétegben elektron-lyuk párok keletkeznek, majd a p-n átmeneten kialakult térerősség hatására szétválnak, és a félvezető két oldalán gyűlnek fel, ahonnan egy külső áramkörök keresztül, energiát termelve képesek rekombinálódni
A napelemek tehát olyan diódák, melyeken működés közben záró irányú áram folyik, míg a kontaktusokon nyitóirányú feszültség alakul ki, így a napelemek nem fogyasztóként, hanem termelőként viselkednek. A záróirányú áram nagysága a sugárzással arányos, aminek különösen az árnyékolási veszteségek megértése során van jelentősége: amennyiben egy árnyékolt cellát nem ér sugárzás, az egy sima diódaként viselkedik, és záró irányba nem engedi át az áramot. Egy napelem cella által előállított feszültséget korlátozza az p-n átmeneten kialakult potenciálgát nagysága (ami egyben a dióda küszöbfeszültsége), hiszen ennél nagyobb feszültség esetén a rekombináció már nem egy külső áramkörön, hanem a napelemen belül történne. Egy szilícium napelem cella jellemző üresjárási feszültsége hozzávetőlegesen 0,6 V, ami közelítőleg a szilícium diódák küszöbfeszültségével egyezik meg.
A napelemek működési elvének ismerete a cellák hőmérsékletfüggésének, jelleggörbéinek, elméleti modelljének és az árnyékolási veszteségeknek a megértését is megkönnyíti, mely témaköröket külön, részletes cikkekben is bemutatom.
Hivatkozások
- Wikipeadia: Electronic band structure, https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure (2019. dec. 5.)
- Wikipeadia: Fermi-szint, https://hu.wikipedia.org/wiki/Fermi-szint (2019. dec. 5.)
