Ha a napelemekről van szó, az egyik leggyakrabban feltett kérdés az, hogy melyik napelem típus a jobb: Monokristályos, vagy a polikristályos napelem. Nos, ha a kérdésre részletes választ keres, akkor a legjobb helyen helyen jár. Ebben a cikkben teljes, mélyreható összehasonlítást végzünk a monokristályos és polikristályos napelemek között.
A napelemes fotovoltaika működése
A napelemes fotovoltaika (PV) két napenergiának kitett anyag találkozásánál közvetlenül elektromos árammá alakítja. Ez a fotovoltaikus hatás néven ismert folyamat során következik be, amely fotonok elnyelését és elektronkisülését okozza. A napenergia fotonokból áll, amelyek kis elektromágneses energiacsomagok. Azokat az anyagokat, amelyek ezt a fotovoltaikus hatást mutatják, PV-nek vagy napelemnek nevezik.
A napelemek félvezető anyagokból, például szilíciumból állnak, amelyeket a mikroelektronikai iparban használnak. A napelemeknél egy vékony félvezető lapkát speciálisan kezelnek, hogy elektromos mezőt alkossanak, egyik oldalon pozitív, a másikon negatív. Amikor fényenergia éri a napelemet, az elektronok kiszakadnak a félvezető anyagában lévő atomokból. Ha a pozitív és a negatív oldalhoz elektromos vezetőket erősítenek, amelyek elektromos áramkört alkotnak, akkor az elektronok elektromos áram – azaz elektromosság – formájában befoghatók. Ezt az elektromosságot ezután táplálására lehet használni.
A napelemek készítése
A monokristályos napelem gyártása
1918- ban Jan Czochralski lengyel tudós felfedezett egy briliáns módszert a monokristályos szilícium előállítására, és ezt Czochralski-folyamatnak nevezte el, majd 1941- ben megépítették az első cellát. A monokristályos napelemek gyártása 8 fő lépésből áll, és ebben a részben mindegyiket gyorsan áttekintjük.
A monokristályos napelemek készítésének fő összetevője a szilícium, más néven szilikahomok, kvarcit, vagy SiO2. A monokristályos cellák gyártásának első lépése a tiszta szilícium kvarcitból történő kinyerése a kohászati szilícium előállításához. A kohászati szilícium előállításához speciális kemencéket használnak a SiO2 és a szén megolvasztására 2552 Fahrenheit-fok felett, 98-99 %-os tisztaságú szilíciumot hagyva hátra. Bár a kohászati szilícium nagy tisztaságú, nem elég tiszta ahhoz, hogy PV panelekben használhassák. Ezért további tisztítást kell végezni.
A következő lépés ennek a kohászati szilíciumnak a Siemens eljárással történő tisztítása. Először a kohászati szilícium Si port egy reaktorban tesszük ki sósavval megemelt hőmérsékleten, ami SiHCl3 gázt eredményez. A gázt ezután lehűtik és cseppfolyósítják a desztillációhoz. Ez az a folyamat, amikor a folyadékot elpárologtatják, majd kondenzálják, hogy megszabaduljanak a nem kívánt szennyeződésektől. Például felforralhatja a tengervizet (sós vizet), majd kondenzálhatja a gőzt, hogy tiszta vizet kapjon, mivel a só az edény alján marad. Ugyanezt a koncepciót alkalmazva a cseppfolyósított SiHCl3-t felmelegítik, majd lehűtik, hogy eltávolítsák a magasabb és alacsonyabb forráspontú szennyeződéseket, például a kalciumot és az alumíniumot. A desztilláció után a cseppfolyósított SiHCl3-at egy másik szigetelt reaktorba mozgatják forró rúddal, majd hidrogéngázzal keverik, és ismét elpárologtatják 2732 Fahrenheit-fok hőmérsékleten. A hő és a H2 gáz jelenléte miatt a Cl atomok feloldódnak, körülbelül 99,99%-os tisztaságú szilíciumot hagyva maguk után.
A monokristályos cellákat az különbözteti meg a polikristályos celláktól, hogy a monokristályos panelek egyetlen tiszta szilícium tömbből készülnek. Egyetlen tiszta szilícium rúd elkészítése nagyon nehéz volt, amíg Czochralski fel nem fedezte ezt a zseniális módszert. Először az olvadt szilíciumba mártson egy magkristályt, amely egy kis, tiszta egykristályos szilícium rúd. A rúd bemártása után itt az ideje, hogy lassan húzza és forgassa felfelé a magkristályt, hogy minimalizálja az olvadék konvekciójának hatását. Ahogy a magkristályt felhúzzák, a folyékony szilícium lassan 4 nap alatt megszilárdul, és egy nagy, homogén hengeres egykristályos szilíciumot hoz létre, más néven szilíciumöntvényt. A szilícium tuskó mérete 3 tényezőtől függ : a hőmérséklet gradiensétől, a hűtési sebességtől és a forgási sebességtől.
A harmadik lépés az, hogy a szilíciumtömböt nagyon vékony szeletekre vágjuk egy nagyon éles huzalfűrésszel, így 1 mm- es vagy 0,0393 hüvelykes szilíciumlapkákat készítünk. Az ostyák felvágása után ideje kifényesíteni és kimosni az ostyákat, hogy megtisztítsa a portól, szennyeződésektől és karcolásoktól. Mivel az ostya felülete nagyon lapos, sok fénysugár visszaverődik, és ezt nyilvánvalóan nem szeretné, mert ez csökkenti a napelem hatékonyságát. Emiatt a gyártók érdesítik és maratják az ostyák felületét, így a fény többszörösen megtörhet, ami javítja a panel hatásfokát és a lehető legnagyobb mértékben megakadályozza a fényvisszaverődést.
A szilícium lapkák pozitív töltésűek. Más szóval, p-típusú anyagként működnek. Az elektromos áram vezetéséhez pn átmenetre van szükség, és egy pn átmenet létrehozásához minden ostyához egy negatív töltésű foszforréteget adnak, majd az ostyákat speciális 1652 Fahrenheit-fokos kemencékbe helyezik, hogy a foszfort nitrogénnel fecskendezzék be. A nitrogén és foszfor keveréke erős n-típusú réteget hoz létre, ami egy nagyon hatékony pn csomópontot eredményez, ami természetesen növeli a panel hatékonyságát.
Az elektromos veszteség csökkentése érdekében nagy vezetőképességű ezüstötvözetet préselnek az ostya előlapjára, amely biztosítja az energia tökéletes szállítását és tovább javítja a monokristályos cella vezetőképességét.
Végül a monokristályos panelek építésének utolsó lépése az összeszerelés. Minden monokristályos napelem 32-96 tiszta kristály lapkából készül, sorokba és oszlopokba szerelve. Az egyes panelekben lévő cellák száma határozza meg a cella teljes teljesítményét.
A polikristályos napelem gyártása
A többkristályos, más néven sokkristályos, vagy polikristályos napelem szintén tiszta szilíciumból készülnek. A monokristályostól eltérően azonban sok különböző szilíciumtöredékből készülnek egyetlen tiszta ingot helyett. A mono és poli napelem gyártás közötti különbség az, hogy a szilícium tisztítása után ahelyett, hogy a bugát lassan húznák, hogy homogén hengeres kristályt kapjanak (Czochralski eljárás), az olvadt szilíciumot hagyják kihűlni és széttöredezni. Ezeket a töredékeket ezután kemencében megolvasztják, és kocka alakú növesztőtégelyekbe öntik. Az olvadt szilícium megszilárdulása után a tömböket vékony ostyákra vágják, majd polírozzák, javítják, szétszórják, és ugyanúgy összeállítják, mint a monokristályos paneleket.
A monokristályos panelek kinézete
Mivel a tiszta szilícium öntvény kerek, felszeletelve négyzet alakú lapkákat kapnak, amelyek élei lekerekítettek, ami kis hézagokat képez a cellák között, miután összeszerelték. És mivel tiszta szilíciumból készülnek, egységesen sötét megjelenésűek a fény és a tiszta szilícium kölcsönhatása miatt. Ezért könnyen felismerheti a monokristályos napelemeket egységes sötét megjelenésükről és a lekerekített élekről, amelyek között kis távolságok vannak. Ne aggódjon, bár a monokristályos napelem sötét, rengeteg szín és forma található a hátlapokhoz és a keretekhez, amelyek megfelelnek az Ön igényeinek.
A polikristályos panelek kinézete
A monokristályos napelemek egységes sötét megjelenésétől eltérően a polikristályos elemek általában kék árnyalatúak, mivel a napfény kölcsönhatásba lép a többkristályos elemekkel. Sőt, mivel a polikristályos ostyákat nem hengerekből vágják, mint a monokristályosakat, nem lesz lekerekített élük. Így könnyen felismerheti őket a kékes árnyalatról és a lekerekített élek hiányáról. A polikristályos cellák rengeteg színes hátlappal és keretkialakítással is rendelkeznek, amelyek biztosan illeszkednek a tetőhöz.
A monokristályos és a polikristályos napelem hatékonysága
A napelem hatásfoka azt jelzi, hogy a cella mennyire képes a napfényt elektromos árammá alakítani. Például, ha hoztunk 2 különböző napelemet, az egyik 10% -os, a másik 20% -os hatásfokú, és ugyanannyi fényt világítunk meg ugyanannyi ideig. Utóbbi az első által termelt villamos energia csaknem dupláját fogja termelni.
A különböző típusú napelemek közül a monokristályos cellák a legmagasabb hatásfokkal, jellemzően 15-20%-os tartományban, és várhatóan még magasabb is lesz.
Érdekesség: 2019-ben a Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriumnak sikerült kifejlesztenie egy 47,1% -os hatásfokú hat csomópontos napelemet, amivel 2 új világrekordot döntött.
Mivel minden polikristályos cella túl sok kristályból áll, kevesebb mozgástér van az elektronok számára, ami alacsonyabb villamosenergia-termelési hatékonyságot eredményez. Bár a monokristályos cellák hatékonysága magasabb, a különbség a mono- és polikristályos cellák között nem olyan nagy. A legtöbb polikristályos PV cella hatékonysága 13% és 16% között van, ami még mindig nagyon jó arány, és várhatóan csak magasabb lesz a jövőben.
Mono-Si vs Poly-Si hőmérsékleti együttható
Egy másik nagy tényező, amelyet nagyon figyelmen kívül hagynak, a hőmérsékleti együttható. A hőmérsékleti együttható azt méri, hogy a napelem mennyire jól működik, amikor a hőmérséklet emelkedik. Más szóval, a hatásfok veszteséget jelezte a hőmérséklet minden egyes fokára.
A legtöbb monokristályos napelem hőmérsékleti együtthatója -0,3% / C és -0,5% / C között van. Tehát amikor a hőmérséklet 1 Celsius-fokkal vagy 32 Fahrenheit-fokkal emelkedik, a monokristályos napelem átmenetileg 0,3-0,5 %-ot veszít hatékonyságából.
A polikristályos PV cellák hőmérsékleti együtthatója magasabb, mint a monokristályosoké. Ez azt jelenti, hogy a polikristályos panelek többet veszítenek hatékonyságukból, ha a hőmérséklet emelkedik, így nem optimálisak a forró területeken való használatra.
Várható élettartam
A napelem élettartamát a lebomlási sebesség vagy az éves energiatermelési veszteség jelzi. A legtöbb napelem lebomlási aránya 0,3% és 1% között van. Ez azt jelenti, hogy minden évben a rendszer teljes teljesítménye 0,3% -ról 1% -ra csökken.
A legtöbb monokristályos PV panel éves hatékonyságvesztesége 0,3% és 0,8% között van. Tegyük fel, hogy van egy monokristályos napelemünk, amelynek lebomlási aránya 0,5%. 10 év múlva 95% -os, 20 év múlva 90%-os hatásfokkal fog működni a napelemes rendszer, és így tovább, amíg energiatermelő képességének jelentős részét el nem veszíti és hatástalanná válik. A legtöbb monokristályos napelem 25 vagy 30 év garanciával rendelkezik. Mindazonáltal rendszere akár 40 évig vagy még tovább is használható lesz.
A polikristályos napelem cellák valamivel nagyobb lebomlási sebességgel rendelkeznek, mint ami miatt egy kicsit gyorsabban veszítenek hatékonyságukból, mint a monokristályosak. Félreértés ne essék, még mindig 20-35 év az élettartamuk és néha még több is.