Vékonyrétegű napelemek: az "új" technológia

Fűtés / Hűtés

Egy korábbi bekezdésben már részletesen volt szó a kristályos napelemekről, és ott a témát csak részben érintve ígértem egy összefoglalót a vékonyrétegű (thin-film) technológiákról. Mivel a napelempiacon az utóbbi időkig legdinamikusabban fejlődő területéről van szó, és pl. First Solar révén több bejegyzés is érintette a témát, ideje egy rövid összefoglalónak. 

A lényegi különbség a vékonyrétegű és a kristályos napelemek között a félvezető réteg gyártási eljárása - és az ebből fakadó eltérő kinézet is, ahogy a képen a Sharp hostesse kedvesen be is mutatja nekünk.

A félvezető réteg a kristályos napelemnél mindig szilícium, ahol nagy tisztaságú tömbökből vágnak le lapokat (ezek a napelem cellák), amiket sorbakötve hermetikusan lezárnak (általában  laminálással). Ez a japán hölgy mögött lévő modul, látszanak is az egyes cellák, azaz szilícium lapok és az azokat összekötő aluminium csíkok.

A vékonyrétegeknél a félvezető réteget kémiai (CVD-technológia) vagy fizikai lecsapatással (sputtering) közvetlenül az üvegre, vagy akár más hordozó felületre viszik fel. Látszik is a jobb oldali modulokon, hogy egységesen bevont felületről beszélünk, a halvány csíkok valójában utólagos, lézeres bevágások a filmrétegen, ami a kedvezőbb volt-amper arányok beállítása miatt szükséges.

A félvezető filmréteget és az alapanyagot a gyártási technológia határozza meg, jelenleg az elterjedt és már tömeggyártásban lévő vékonyrétegű technológiák a következők: 

• aSi-µSi, azaz amorf szilícium és mikromorf szilícium: ez a ma használt technológiák közül az egyik nagyon elterjedt, sok cég vágott bele az utóbbi időkben ilyen technológiájú gyártásba. A félvezető réteg itt is szilícium, mint a kristályos napelemek esetén, azonban nem kristályos tömbökből, hanem szilán gázból (SiH4) állítják elő, nevezetesen kémiai reakció során a hidrogént leválasztják a szilíciumról, ami így lerakódik az üvegre - vagy más felületre, pl. műanyagra, fémre is akár. Viszonylag kis hatásfokú technológia, aSi 5-6%-os, µSi (ami az aSi továbbfejlesztett változata) 7-8%-os.
• CdTe, azaz kadmium-tellurid technológia: a másik fő technológia, de itt egy gyártó kezében (First Solar) koncentrálódik a termelés döntő része - olyannyira, hogy ma már ez a cég a világ legnagyobb gyártója évi 1.2 GW kapacitásával, ők a napelemek Google-je. A First Solar speciális, VTD gyártási technológiát (nagy hőfokú porlasztást) használ a gyártásban. Óriási szériában nagyon olcsón tudják előállítani 7-9% hatásfokú napelemeiket.
• CIGS, CIS, azaz réz-indium-gallium-diszelenid és réz-indium-diszelenid: a vékonyrétegű technológiák legújabbja, csak idén került igazán tömeggyártásba. Nagyon sok cég fejleszt ilyen gyártási módokat, mivel 9-12%-os hatásfokot is el lehet érni az ilyen napelemekkel. Azonban egyelőre nem sikerült igazán olcsó gyártási módot találni (a legtöbb cég fizikai porlasztást, azaz sputtering-et használ), márpedig a First Solar példája mutatja, hogy az alacsony gyártási költség a kulcs a piac megszerzéséhez. 

Léteznek még más vékonyrétegű technológiák is (pl. műholdakon használt indium-gallium és egyéb ritka fémek ötvözete, ami most a világcsúcs 3 rétegben - persze iszonyat drága előállítással), azonban tömeggyártásban, azaz kapható modul formájában a fentiek a ma vékonyrétegű technológiái. A jövő technológiái (pl. organikus és fényérzékeny-festett megoldások) egy új bejegyzést megérnek majd.

Érdekes egyébként, hogy milyen lassan és nehezen fogadta el a piac a vékonyrétegű megoldásokat: az aSi technológia 70-es, más vékonyrétegű megoldások a 80-as, 90-es évek óta ismertek voltak, azonban 3 évvel ezelőtt kezdődtek az első komolyabb telepítések: és ehhez az kellett, hogy a kristályos piacon a nagytisztaságú cellákból ellátási hiány lépjen fel. Ráadásul a napelem-piac konzervatív is: csak akkor hitték el, hogy a vékonyrétegű modulok hosszú távon is a kristályoshoz hasonlóan megbízhatóan működnek, ha látták, hogy a 70-80-as évek fejlesztései és tesztmoduljai a mai napig is működőképesek. Ezért mondhatjuk, hogy a vékonyréteg "új" technológia, de csak a nagyobb piacon - valójában régóta itt van.

Mivel kisebb a hatásfokúk, a vékonyrétegű napelemeknek nagyobb terület (és több rögzítés) kell, mint a kristályos moduloknál. A hatásfok kérdést sokan sokféleképp magyarázzák, de nem döntő a napelemes rendszereknél: a két döntő tényező a $/W ár és még inkább a $/kWh, azaz mennyiért lehet 1 kWh áramot előállítani vele.

Nyilván az alacsonyabb árú napelemmel olcsóbb lesz 1 kWh áram. És a vékonyréteg ebben nagyon jól szerepelt, mivel akár 30-40%-kal is alacsony áron került piacra, mint a kristályos - amit a plusz 20%-os rögzítési költség mellett is gazdaságos alternatíva volt, és a 2007-es 5% körüli részesedése jövőre már 30%-os részesedést jósoltak a teljes szolár piacon a vékonyrétegű technológiáknak.

Azonban jött a válság, és a kristályos gyártók gyilkos árversenybe kezdtek - ahol elolvadt a vékonyrétegű modulok árelőnye. Mivel több rögzítés és nagyobb területet igényel, így jellemzően nagy beruházásoknál, főleg napelem erőműveknél alkalmazzák a vékonyréteget. Azonban ez a piac a finanszírozás visszaesésével is összezuhant, ráadásul a kristályos gyártók árversenyéhez nem tudták tartani 30-40%-os árelőnyüket, így jelenleg szinte csak First Solar modulokat érdemes telepíteni - mert ott van meg még az az árelőny, ami gazdaságos $/kWh árakat hoz. 

Hosszú távon még komoly tartalékok vannak a vékonyrétegű gyártásban, főleg a jelenleg horribilis gyártásberuházási oldalon. Az alapanyagok olcsók és bőségesek, így a jövőben még további árcsökkenés várható, ami újra a vékonyrétegű megoldások piaci bővüléséhez vezethet. És még egy előnyük miatt is: a vékonyrétegű napelemek kevésbé érzékeny a hőmérséklet emelkedésre, mint a kristályos modulok, amik 50-60 fok fölé hevülve akár 20-30%-kal is csökkent teljesítményt adnak. Ez majd a napelemek forró égövben való elterjedésénél lesz fontos, azonban ezek a területek ma még nagyon kicsi és alig fejlődő piacnak számítanak - pedig hosszú távon ott érné majd meg igazán a napenergiával való áramtermelés.