Villanyszerelők Lapja

Hogyan növesztik a napelemcellákat?

2017. július 5. | VL online |  3069 | |

Hogyan növesztik a napelemcellákat?

Ha megvizsgáljuk a napelemcella „növesztés” folyamatát, ami valójában a cella alapanyagáúl szolgáló szilíciumtömb előállítását takarja, megtudjuk hogy hogy mi adja a monokristályos és polikristályos napelemek közötti különbséget.

A monokristályos vagy a polikristályos napelem a jobb?

Minden napelemvásárlónál felmerülő kérdés, hogy a monokristályos vagy a polikristályos napelem a jobb – sokan egyből rávágják, hogy az egyik vagy a másik a jobb, mert „hallották".

Mind a monokristályos, mind a polikristályos napelemcellák alkotóeleme a szilícium, amit nem másból nyerünk ki, mint a nagy tisztaságú homokból (szilícium-dioxid). Persze az udvarunk végében fellelhető homok nem alkalmas feltétlenül napelemcellák gyártásához. A félvezetőgyártáshoz kibányászott homokot is több mint 100 lépcsős gyártási folyamaton dolgozzák fel, mire az alkalmas lesz napelemcellák előállítására. 

Az egyik fő feladat a szilícium-dioxidból eltávolítani az oxigént, amit olvasztókemencékben szén hozzáadásával érnek el nagy hőmérsékleten (2000 °C). A szén megköti az oxigént, és CO2 (szén-dioxid) jön létre, mint melléktermék. Az így kapott szilícium 99%-os tisztaságú, amit további lépésekben kell tisztítani, hogy eltávolítsák a maradék kálciumot, alumíniumot, bórt, vasat vagy éppen a foszfort. Minden egyes folyamat nagy energiaigényű, mivel 300 és 1100 °C közötti hőmérséklet szükséges az egyes kémiai reakciók lefolyásához.

A napelemcella-gyártáshoz minimum 6 N, azaz 99,999999% tisztaságú szilícium szükséges. A 6-9 N közötti tisztaságú szilíciumot napelemgyártáshoz, míg a 9 és 11 N (99,99999999999%) közötti tisztaságú szilíciumot a mikrochipgyártáshoz használják fel.

 így kapott olvadékot ezt követően ledarálják, majd újra megolvasztják, és a napelemcellákhoz szükséges nagy tisztaságú, megfelelő kristályszerkezetű tömböket alakítanak ki. A tömbösítéshez (angolul: ingot casting) használt legrégebbi módszer a Czochralski-eljárás, amit az azonos nevű lengyel kémikus talált fel 1916-ban.

1. ábra, a Czochralski-eljárás folyamatábrája, monokristályos szilíciumtömb előállítása.

Ennek a tömbösítési módszernek a lényege, hogy a szilíciumot megolvasztják 1400 °C-on egy hengerben, ahol argongázzal vegyítik, hogy a szén fűtőszálak okozta szennyeződéseket megkössék (CO – szénmonoxid, ami a szén fűtőszálakból szabadul fel, illetve H2 – dihidrogén, ami a folyamat kezdetén a hengerben lévő nedvesség és a szén között létrejövő kémiai folyamat hatására jön létre). A hengerben lévő olvadt szilíciumba egy már megszilárdult szilícium kristályt lógatnak be, amire a szilíciumolvadékból kicsapódik, kikristályosodik az anyag. Miután a szilíciumkristályokat egy hengerben húzzák, növesztik, így egy henger alakú szilícium tömböt kapunk eredményül, aminek az átmérője 156 mm. Ha a szilícium hengerünket merőlegesen felfűrészeljük, akkor egy-egy szelet egységes kristályszerkezetű lesz, nem lesznek benne töréspontok, és ezt nevezzük monokristályos szilíciumnak.

2. ábra: Monokristályos szilíciumtömb

Az így kapott szilíciumhengereket gyémántszemcsés huzalosvágó berendezésekkel szögletesítik, és szeletelik fel 160 és 210 mikron vastagságú lapkákká (wafer), és ha egy monokrsitályos napelemcellát közelebbről megnézünk, akkor még láthatók a nyolcszög alakú lapka rövidebb oldalain a kezdeti 156 mm átmérőjű hengerünk ívelt vonalai. Léteznek még teljesen négyzetes formájú monokristályos napelemcellák is, de most az egyszerűség kedvéért ezt most nem tárgyaljuk.

 

Monokristályos napelemcella, amelyen jól láthatók a lapka rövidebb oldalain a kezdeti 156 mm átmérőjű szilíciumhenger ívelt vonalai  

A tömbösítéshez használt másik eljárás a Siemens-eljárás, amely kisebb energiaigényű, mivel egy nagyobb kád formájú kemencében, több pontról kiindulva egyszerre növesztik a szilíciumkristályokat: alacsonyabb hőfokon, mindössze 1100 °C-on és nagyobb méretben történik a tömbösítése a szilíciumnak. A nagy tömböket ezután kisebb hasábokra szeletelik fel (156x156 mm, 6” átmérőjű), viszont a vágási vonalak nem esnek egybe a kristályok széleivel, és az így kapott szilíciumlapkákon belül akár több szilíciumkristály „darabjai" is megtalálhatók. Ebből készülnek a polikristályos napelemcellák. A feldolgozatlan polikristályos lapkákon jól kivehetők még az egyes kristályok közötti határvonalak.

Polikristályos napelemcellák és egy szilíciumtömb.

A polikristályos Siemens-eljárás előnye, hogy kevesebb energia szükséges hozzá, ezáltal olcsóbbak az így előállított szilíciumtömbök, mint a monokristályos tömbök, és ez az árelőny végigkövethető egészen a kész napelemekig.

Létezik még egy harmadik eljárás is a tömbösítésre, a Fluidized Bed Reactor (FBR), vagyis fluidágyas reaktoreljárás, de ez jelenleg kevesebb, mint 10%-át teszi ki a világtermelésnek, így most erről nem ejtünk szót.

Polikristályos vs. monokristályos

A polikristályos lapkákat 6-8 évvel ezelőttig gyengébb minőségűnek ítélték meg, mivel a Siemens-eljárással nehezebben lehetett a gyártás során a szennyező anyagokat megkötni és a szilíciumkristályok között gyengébb volt a kölcsönhatás, könnyebben kialakulhattak repedések (micro-cracks) a kültéri használat során fellépő jelentős hőingadozások miatt, és ezáltal a napelemcellák egyes darabjai leváltak, kiestek az energiatermelésből.

Napjainkra sikerült továbbfejleszteni olyan szintre ezt a tömbösítési eljárást is, hogy a monokristályos eljárással közel azonos minőségű wafer-eket lehet előállítani, bár még így is megvannak a polikristályos lapkák hátrányai, ami a polikristályos napelemcellák maximális teljesítményét befolyásolja. Ezért van az, hogy a polikistályos napelemcellák a látszólag nagyobb felületük ellenére (teljes négyzetes – full square) kisebb teljesítményre képesek, mint a monokristályos napelemcellák, amelyek kisebb felületük ellenére is több energiát tudnak hasznosítani a napfényből. 

A lényeg, hogy a gyártási eljáráson kívül a mindennapi gyakorlatban csak nagyon kevés és kismértékű különbség van a mono- és polikristályos napelemek között. A forró égövben a monokristályos modulok kicsit jobban teljesítenek, míg északon a polikristályos teljesít jobban, illetve általában minimálisan nagyobb a hatásfoka a monocelláknak.

Egy következő posztban megtárgyaljuk azt is, hogy hogyan lesz a szilíciumlapkából napelemcella.

NapelemNapenergia