Fotovoltaika és napelemek

A napelemes fotovoltaikus technológia a fényt atomi szinten alakítja át elektromossággá. A fotoelektromos hatás hatására bizonyos félvezető anyagok elnyelik a napfény részecskéit vagy fotonokat, és elektronokat szabadítanak fel. A fotovoltaikus cella látható fényből termel áramot; a napelem a napfény teljes fényfrekvenciatartományát elnyeli, nem csak a látható fényt, és a napsugárzást hasznos energiává alakítja. Biztonságos, fenntartható és hatékony energiaforrásként a fotovoltaikus és napelemes rendszereket hálózati vagy elszigetelt energiatermelésre használják számos eszköztípusban, az elektromos járművektől (EV-k) és napelemes tetőkön át a vízszivattyúzó és sótalanító rendszerekig.  

A fotovoltaikus cellák réteges félvezető anyagokat használnak PN-átmenetként a fotonok formájában megjelenő fényenergiának az elektronok formájában megjelenő elektromos árammá történő átalakítására. A PN-átmenet egy p-típusú félvezető (elektronakceptor anyag) és egy n-típusú félvezető (elektrondonor anyag) közötti határfelület. Amikor a fotont az n-típusú félvezető elnyeli, egy elektron kilép, és szabad elektron és elektron-lyuk pár keletkezik. A negatív töltésű elektron a p-típusú anyaghoz, a pozitív töltésű lyuk pedig az n-típusú anyaghoz vonzódik. Ha az elektródákhoz egy befejezett áramkört csatlakoztatunk, a szabad elektron végighalad az áramkörön, elektromos áramot és feszültséget létrehozva, amíg vissza nem rekombinálódik egy elektron-lyukkal a p-típusú anyagban.

A fotovoltaikus rendszerek hatékonysága a fotovoltaikus cellatechnológia és a felhasznált félvezető anyag típusa szerint változik. Az első napelemek szervetlen polikristályos és egykristályos anyagokból álltak. A szerves elektronika és anyagok terén elért figyelemre méltó fejlődésnek köszönhetően a fotovoltaikus technológiában jelentős előrelépés történt.

A szerves napelem könnyű, rugalmas és alacsony költséggel előállítható nagy teljesítményű polimer donorokkal, fullerénekkel és nem fullerén akceptorokkal (NFA), alacsony hőmérsékletű oldási eljárásokkal, átlátszó vezetőn, például indium-ón-oxidon (ITO) vagy fluorral adalékolt ón-oxidon (FTO). A szerves lyukszállító anyagok (HTM) lehetővé tették a nagy teljesítményű perovszkit napelemeket, mint a napenergia kinyerésének alternatív, hatékonyabb módszerét.

A perovszkit napelemek jellemzően szervetlen-szerves hibrid anyagot használnak fénygyűjtő aktív rétegként. A perovszkit napelemek előnye a magas konverziós hatásfok, az alacsony költség és az egyszerű gyártás, ami a kereskedelmi alkalmazásokban a leggyorsabban fejlődő napenergia-technológiává teszi őket. Az ólom-halogenid perovszkitok rendelkeznek a legmagasabb konverziós hatásfokkal, és a leggyorsabban fejlődő napelemes technológia.