A fotovoltaikus rendszer hatékonysága annak mérése, hogy a rendelkezésre álló napenergia mekkora részét alakítja át egy napelem elektromos energiává. A legtöbb tipikus szilícium napelem maximális hatékonysága körülbelül 15 százalék. Azonban még egy 15 százalékos hatékonyságú napelemes rendszer is költséghatékony módon képes ellátni az átlagos otthont.
Honnan származik az energia?
A napfényben lévő energia fotonoknak nevezett csomagokban érkezik. Ezek a fotonok hullámhosszuktól függően meghatározott mennyiségű energiát hordoznak. A hullámhossz csökkenésével a foton energiája növekszik. Ezek a fotonok gerjesztik az elektronokat a napelemben, ami miatt az áramkörön keresztül áramolva elektromos áramot hoznak létre. Az elektron szilíciumban történő felszabadításához a fotonnak legalább 1,1 elektronvolt energiára van szüksége. Az elektronfeszültség az az energiamennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy az elektron egy voltos potenciálkülönbségen keresztül mozogjon. Ha egy fotonnak több mint 1,1 elektronvoltja van, akkor egy elektron elmozdul az áramkörön, de a felesleges energia hőként felszabadul. Ez az egyik oka annak, hogy a napelemek ilyen alacsony hatékonyságúak; csak nagyon meghatározott mennyiségű energiára van szükségük a munkához.
Mennyit ad a Nap?
A Nap különböző mennyiségű energiát biztosít attól függően, hogy hol vagy a Földön, és hol van az égen. A napelemek jellemzően az AM1.5 néven ismert szabványos feltételeket feltételezve vannak besorolva. Ez az 1.5 légtömegre vonatkozik, ami a napelemek elfogadott tesztfeltétele. AM1.5-nél a nap 1000 wattot ad négyzetméterenként. A tényleges rendelkezésre álló napenergia azonban a helytől, az időjárási viszonyoktól és a napszaktól függően változik.
A napenergia hány százalékát használhatják a napelemek?
A nap erejének megértése érdekében a fekete test spektrumának nevezett sugárzási modellt használjuk. A fekete test spektrum megadja nekünk a különböző hullámhosszúságú tárgyak energiaeloszlását. A fekete test spektruma alapján a nap energiájának 23 százaléka túl hosszú hullámhosszú ahhoz, hogy hasznos legyen a napelemek számára. Ezek a fotonok csak áthaladnak a cellán. Más hullámhosszakon van némi felesleges energia. Valójában a nap energiájának további 33 százaléka felesleges energia, amely szintén felhasználhatatlan a szilícium napelemek számára. Ezért a nap energiájának csak 44 százaléka marad elérhető a szilícium napelemek számára. Ezen energia nagyobb része elveszik a reflexió és más folyamatok miatt magában a sejtben. Ennélfogva, bár az elméleti maximális hatásfok magasabb lehet, a szilíciumcellák valós hatékonysága általában 15 százalék körül mozog.
Hogyan növelhetjük a panel hatékonyságát?
A napelem hatékonyságának növelése érdekében javíthatjuk és diverzifikálhatjuk azokat az anyagokat, amelyeket ezek gyártásához használunk. Különböző anyagokhoz eltérő mennyiségű fotonenergia szükséges az áram előállításához. Ezért a hibrid panelek számos különböző elektronvolt értéket fedhetnek le a megfogott energia maximalizálása érdekében. Ennek a megközelítésnek egyik problémája a gyártás költsége. A szokásos napelem szilíciumból készül, amely széles körben elérhető és jól érthető. Mivel a napelemekben használt anyagok ritkábbá és specializáltabbá válnak, a gyártás költsége nő. Ezért a hatékonyság növekedése a költségek növekedésével jár.
