Technológiák - A napelem működése
A napelemek a napból sugárzó energiát használják fel villamos energia termelésre.
A napelem működésének kémiai alapjai
A napelemek alapanyaga a szilicium. A szilicium félvezető anyag, 4 szabad elektronnal a szilícium atom külső elektron héján. A stabil elektronszerkezet elérése érdekében a szilícium atomoknak négy másik szilícium atommal kell kovalens kötést létesíteniük. Így alakul ki a szilícium kristály. A kristály elemei ilyenkor stabil állapotban vannak. A szilícium kristályt adalékolják, vagy másképpen szennyezik. Ez azt jelenti, hogy a szilícium részecskék közé más anyagokat juttatnak, méghozzá olyanokat, amelyeknek a külső elektron héján 3, vagy 5 szabad elektron van. Így, amikor ezek az anyagok létesítenek kovalens kötést a szilícium atomokkal, akkor vagy marad egy "felesleges" elektronjuk, vagy épp ellenkezőleg, egyel kevesebb elektronjuk lesz. Az egyel kevesebb elektront lyuknak is szokás nevezni.
Azt a szilícium réteget, amelyet 5 szabad elektronnal rendelkező anyaggal szennyeznek, "n" rétegnek nevezik, amelyet 3 szabad elektronnal rendelkezővel szennyeznek, azt "p" rétegnek. Az "n" rétegben tehát sok, negatív töltéssel rendelkező szabad elektron van, a "p" rétegben pedig sok pozitív töltéssel rendelkező "lyuk". Maga a napelem cella egy-egy ilyen egymásra rögzített "n" és "p" rétegből áll.
A napelem működésének fizikája
Amikor a két ellentétes réteget egymásra helyezzük, a "felesleges" elektronok az "n" rétegből elindulnak az elektronhiányos "p" réteg felé. Ezáltal létrejön egy vékony réteg a két szilícium lap között, ahol nincs sem elektron többlet, sem elektron hiány. Ez a réteg már nem fogja vezetni az áramot, sőt, szigetelőként viselkedik.
Ezt a réteget kiürített rétegnek is szokás nevezni. Van tehát egy szabad elektronokkal rendelkező "n" rétegünk, és egy elszigetelt, pozitív töltéshordozókkal rendelkező "p" rétegünk.
Amikor a napsugárzás (pontosabban: a foton) eléri az "n" réteget, akkor három dolog történhet: vagy visszaverődik, vagy áthalad a rétegen, vagy elnyelődik. Ha elnyelődik, akkor egyes elektronokat "kiüthet" a helyükről, amelyek ekkor igyekeznek majd eljutni a pozitív töltésű "p" rétegbe. Ebben azonban akadályozza őket a kiürített réteg. Kialakul tehát egy potenciál különbség a rétegek között, amit az elektronikában feszültségnek neveznek. Ha kialakítunk egy, a kiürített rétegnél alacsonyabb ellenállású útvonalat az "n" és a "p" réteg között, akkor az elektronok ezen az útvonalon fognak vándorolni. Az elektron vándorlás pedig maga a villamos áram.
Ezt az utat úgy biztosítjuk, hogy csatlakozókat és vezetékeket rögzítünk a napcella aljára és tetejére (a jobb oldali képen a fehér csíkok mutatják a vezetékezést). Sok ilyen kis cellát összeállítva készülnek el a napelemek.
Az "n" réteg és a "p" réteg vezetékei közé kötjük magát a fogyasztót, amelyen áthaladva az elektron - vagy hívjuk most már áramnak - munkát végez, működteti a berendezéseinket, vagy tölti az akkumulátorokat.