Watch Dogs 2
Bejelentkezés
Elfelejtett jelszó

Regisztráció
[x]

maradj bejelentkezve

Pras blogja

Műszaki alkalmazások és jelenségek egyszerűen - 2. rész: Napelemek

Pras | 2009.12.19. 21:36 | kategória: Műszaki ámokfutás | 6 hozzászólás

Meglehetősen rég frissítettem a blogomat. A miértekről háromoldalas esszét is képes volnék írni, de fáradt vagyok a fárasztáshoz, maradjunk annyiban: Nemigen van miről írni. Néha úgy vagyok vele, az ember vagy mindenről ír, vagy semmiről sem. Mindenről írni egyfelől hálátlan feladat, másrészt értelmetlen és érdektelen is. Mindannyiunknak van szeme, egy vagy több füle, hasonló érzékszervei, amivel hol azt ellenőrzi, hogy felforrt-e a víz, hol azt, hogy megkeményedett-e már a… satöbbi. Leírni azt, amit mindenki lát, mindenki figyel, amiről mindenkinek megvan a véleménye, az szép vitaindító, de közhelyszerűen elaljasodott „világunkban” miről is lehetne írni, ami még vitát indít el?

Drága Olvasóm, hogy idáig eljutottál, megkérlek: Nézd meg a fenti bekezdést. Elcsesztél az életedből körülbelül negyed percet, úgy, hogy – elárulom – lényegi információt nem kaptál. Semmiről. Persze lehet, hogy rohadtul meg vagy verve annyi szabadidővel, mint Lajka kutya, aki kínjában már a Szputnyik antennáiból formázna pusztakézzel rövidhullámú vételi lehetőségekkel és egyéb vételi lehetőségekkel szerelt kutyaleányt, ha élne. De nem él. Ezért pedig olvasol minden szart, ami eléd kerül. Ha ugyanakkor történetesen nem ez lenne a gyári alapbeállításod, akkor kurvagyorsan megszabadítanád a könyvjelzőtől a blogomat. Ami egyébként sem szól semmiről, lásd első poszt.

Nos, ezért frissítettem rég a blogomat.

Most, karácsony közeledtével viszont mi lehetne aktuálisabb téma a napelemnél? Mint minden hasonló írásomnál, most is nyomatékosan kérlek, az írást csak mint érdekességet, véletlenül se, mint forrást kezeld. Ennek oka annyi, hogy MAJD hétfőn vizsgázom belőle, és mondják meg, hogy tényleg értek-e hozzá (kettes), vagy majd érteni fogok. Nyilvánvaló, hogy inkább írok róla, semmint tanulom, ez klár. A részletekbe nagyon nem akarnék belemenni, mert az azokat leíró differenciálegyenletek úgy sem férnének ki a monitorra, ha 30°-ot fordítasz rajta, és egyébként is. Azok csak azért léteznek, hogy a gyártás után hümmögve nézegethesse őket az ember gyereke, és véletlenszerű változókra bökjön rá rajtuk, hogy „ezért akkora szar a napelemem.” Vagy bármi másom. Amit konkrétan a csecse kis kezemmel segítettem összehozni néhány szaktársammal, annak a hatásfoka például alulról veri a 3%-ot, pedig ebbe már dobtunk trükkös dolgokat. No, de ne csapjunk a lecsóba.

Mi az, hogy napelem?
Kezdjük azzal, hogy nem érdemes keverni a „napelem”-et, és a „napkollektor”-t. Olyannyira nem, hogy ami a napkollektornál elérendő cél, az a napelemnél hatásfokot negatívan befolyásoló tényező. Nagyjából úgy tudnám érzékeltetni a különbséget, minthogy azért nem teljesen mindegy, hogy a kandallódban fűtesz, vagy a tűz felett gőzképzéssel turbinán keresztül elektromosságot állítasz elő. Az előbbi a napkollektor. Ahogy például a két méter magasra felnyomott, feketére festett hordó is, amiből a tücsökciripelős nyári estéken azt a fasza meleg vizet nyered, mikor a szabadban zuhanyzol félig-meddig közszeméremsértően. Az elve egyszerű, mint a kőbalta. A matt, sötét felületet a nap felmelegíti, az alatta futó csöveket, jó hővezetésük révén szintén, melyben a víz kering, amelyet a cső hőátadás útján jól felmelegít ideális esetben. Ennek az összerakása sufni-pozitív, akad is pár weboldal, ami ezzel foglalkozik, az egészben csak arra kell figyelni, hogy kevés hőellenállást iktass a rendszeredbe, és mocskosul kihasználd a csúnya, gonosz üvegházhatást is, ha már egyszer van ilyen.

A napelem, az kérlek, egy kicsit bonyolultabb. No, nem sokkal, csupán erőteljes félvezető-technológia, vákuumgőzölögtető (10ad-5 Torr már használható valamire emlékeim szerint), 1100°C-ot bíró üvegkemence, 99,9999% tisztaságú alumínium, lamináris áramlást biztosító boxok, jobb esetben teljes tisztaszoba, olyan, igazán nem barátságtalan és alig aljas vegyszerek, mint a hidrogén-fluorid (nem részletezem, mit művel például a csonttal) és hasonló remek dolgok szükségesek hozzá. Ezt azért írtam le, hogy Olvasóim igen komoly hányadát letörjem: házilag szinte esélytelen napelemet készíteni, noha elméleti síkon rengeteg anyag jó lehetne hozzá.

Hogy is működik…?
Jó lehetne hozzá, mert maga az alapelv nem túl bonyolult. (Aztán ha belemegyünk, exponenciálisan bonyolódik minden…) A fotodiódák révén a jelenség jórészt akár még ismerős is lehet. Adott egy félvezetőnk. Mondjuk, egy szilícium-lap. A foton megszületik a Nap kifőzdéjében, dönget nyolc percen keresztül, aztán becsapódik a Si-lapba (vagy visszaverődik, vagy áthalad nyomtalanul…), és el is nyelődik – abszorbeálódik. Az energia persze megmarad, a foton billiárdgolyóként taszít ki egy elektront a helyéről, amely, ha „átugorja” az anyagra jellemző potenciálgátat, felszabadul, és a helyén keletkezik egy lyuk, ha pedig nem, akkor a foton energiája a kristályrács gerjesztésével hővé alakul. Az elektron kóvályog kicsit (ideális esetben a kissebbségi töltéshordozók élettartama akár fél perc is lehet, ez a valóságban a kristályhibák, szemcsehatárok, hőmérséklet és még további kismillió tényező miatt ez 10ad-3, 10ad-9 szekundum nagyságrendű.), aztán rekombinálódik: beleesik a lyukba. Mindegy, melyikbe. Az történik tehát, mint szép lassan mindannyiunkkal, lyukak rabszolgája lesz. Csak ő kicsit gyorsabban. No de érdemileg mi történt? Igazából semmi látható. A szilíciumlap melegszik állatmód, ez a termikus rekombináció; és, Drága Olvasóm, akinek amúgy Boldog Karácsonyt kívánok, cselesen, mert ugye alap, hogy az érdemli meg, aki idáig eljutott, áramként egy rohadt darab, szánalmasan totyogó elektront nem tudsz innen kivenni. Logikus, hogy valahogy azt kéne elérni, hogy az elektronok erre menjenek, a lyukak arra, halálba az emancipációval, meg a rekombinációval. Nem túl nagy ötlet, hogy ezt elektromos térrel lehet elérni. A szilíciumot adalékolva frankó „beépített” tér hozható létre, amely a generálódó töltéshordozók szétválasztását elvégzi. Ennyi. …alapvetően. Erre felrajzolhatsz egy dióda-karakterisztikát, és kezdhetsz nagyon sokat hümmögni, hogy hogyan javítsd fel ezt a szart. Mert ez az. Tovább azok olvassanak tehát, akik nem elégednek meg azzal, ha valami szimplán „csak” működik. =)

Pimp my solar cell!
Nézzük meg, hol lehetne forgácsolni egy kicsit a gyereken. Lehet játszani azzal például, hogy a p-n átmenetet milyen mélységben és milyen vastagságban helyezzük el. Utóbbival olyan nagyon nem érdemes, mert ha túl vékony, kevés nekünk kellő töltéshordozót tudunk kiszívni a rendszerből, ha túl vastag, akkor sok stróm keletkezik bár, de a gyenge élettartamuk miatt mire kiérnének a kontaktusokhoz, házasságot kötnek, és társadalmilag megszűnnek létezni. Ezt be kell lőni egy optimumra, aztán nem piszkálni. A mélység már furmányosabb dolog, mivel főként ez határozza meg, hogy milyen „színre”, pontosabban milyen hullámhosszra van optimalizálva a napelem. A felszín közelében a gyenge energiájú fotonok nyelődnek el, mélyebben a nagyenergiájúak – kékből a vörösbe. A statisztikus fizika vérengzései óta tudjuk, hogy kis energiájú fotonból exponenciálisan több van. Rakjuk tehát az emlegetett átmenetet (az ún. „kiürített réteget”, ahol sztatikusan semleges az anyag) a felszín közelébe! Remek, dől a rengeteg kék foton – és nincs áram. Mint amikor a kocsid szélvédőjét veri az eső, te pedig bent hülyén vigyorogva hallgatod a Riders on the stormot. Egyszerűen, a foton meglöki az elektront, de túl gyenge ahhoz, hogy átdobja a potenciálgáton, az elektron tehát el sem jut odáig, hogy szabad töltéshordozó legyen. Választhatsz persze kisebb gáttal bíró anyagot, de az ekkor mérhető üresjárási feszültségeddel ekkor nem túlzottan lehet macskát sütni. Ha eső helyett jégesőt választasz, az üresjárási feszültséged megugrik, a vörös és IR (infravörös) fény szépen szórja kifelé a nagyenergiájú töltéshordozókat, de ezekből viszont mennyiségileg nem lesz sok. Itt is egy optimumot kell keresni. Ha sikerül, akkor egy tisztességesebb méretű napelemről két-három ampert is levehetsz, úgyhogy óvatosan tapogasd. Másik trükk, ha más-más hullámhosszú fényre belőtt „rész-napelemeket” alkalmazol egymás fölött. A kék elnyelődik az erre optimalizált legfelső „napelemben”, aztán a zöld, és mondjuk a vörös egy harmadikban. Ez már tényleg jó hatásfokot tud eredményezni, de ha annyi milliód lenne, amennyi ehhez kell, azt nem napelemre költenéd, hidd el nekem. (Itt jegyezném meg, hogy az „egyszerű”, egyrétegű napelemcella elvi hatásfoka földi körülmények között 28% körül van. Ezt a Nap sugárzási spektrumát leíró, feketetest-sugárzáshoz a légköri elnyeléseket leszámítva igen hasonló eloszlásgörbének az integrálján keresett optimum, konkrétabban annak a fele határozza meg. Ahol ennél többet írnak, ott valami speckó okosság van, de erről később.) Lehet variálni az anyaggal is, például a világűrbe inkább germánium-félvezetős napelemeket küldenek, de ez megint soktényezős. Ott nem pusztán az AM0 feltétellel kell számolni, magyarul a légkör nem zavar be, hanem a „szűretlen” kozmikus sugárzás egyéb csúnyaságaival is, ami a hatásfokot szép lassan lehúzza. (Ahogy a fémeknél általában, a sugárzás rácshibákat okoz, amiket, nehogy véletlenül is magyarul beszéljünk, többnyire diszlokációknak hívunk, amikbe az elektronok beleütköznek, mint a német turistabusz a badacsonyi huszonkettes lámpaoszlopba némi elfajult olaszrizlingelést követően.) Az optimális kb. 1,5eV tiltott sávszélességgel rendelkező elemek között legolcsóbban és általánosabban a szilíciumot találjuk, így ez azért olyan túl nagy mozgásteret nem enged. Azaz enged, hiszen ezt létrehozhatjuk amorf-, polikristályos- és egykristály formában is. Előbbi olcsó, utóbbi jó hatásfokú. Kezedben a kulcs, ugye…
De menjünk tovább! Fent említtetett, hogy a fotonok gonosz módon visszaverődhetnek. Nagyobb törésmutatójú anyaggal bevonva a szilíciumot (Mivel a szupravezetőknél is ömlengtem kicsit az anyagokról, így itt is kicsit írok róla. Sőt, ha lesz rá lehetőségem, fényképet is hozok, olyan szilícium-lapról is, amibe „nyomtattak” egy rakat chipet. A szilícium egy igen frankó anyag, mivel marha stabil. Szinte semmivel nem reagál, semmivel nem marható, de igen rideg, úgy törik, pattan el, mint valami üveg. Ezt sem amolyan parasztosan teszi, persze, hanem a kristályrácsa révén igen jól meghatározott kristálytani főirányokban. Nagyon szép, szabályos egyeneseket, rombuszokat, miegymásokat lehet törögetni belőle. Egykristályt növeszteni persze körülményes belőle, ez a probléma már a szupráknál is előfordult a blogban, azt hiszem, most olyan tizenvalahány coll átmérőnél tartanak Si-szeletre. Nem olcsóér’, persze.) viszont (gőzöd nincs már az eredeti mondatról, igaz…? Sebaj, nekem sem.), tehát, nagyobb törésmutatójú anyagot felvíve a szilíciumra – mint amilyen például a saját oxidja – igen jó fényelnyelő tulajdonságot lehet kialakítani. Ezt az optikai kábeleknél is használják, de ott fordított előjellel, „zajszűrésre”, azaz nem bent tartják a világot, hanem kint. A szilícium által mutatott szín a ránövesztett oxid vastagságával változik, nyilvánvaló, hogy nekünk ebben az esetben feketébe hajló, azt minél jobban megközelítő sötétkék kell. Amiért a hűtőszekrény fehér, azért a napelem fekete. Ez egy érdekes dolog egyébként, maga a szilícium, mint említett volt, fémes szürke, az oxidja (szilícium-oxid… súgok: Ez nem más, mint egy üveg!) színtelen és átlátszó (transzparens, hehe…), és ez utóbbi vastagságától függően mégis láthatsz zöldet, narancssárgát – s persze feketét. Ezt a látszatot a többszörös visszaverődések miatt egymáshoz képest eltolódott fázisú fény interferenciája kelti. Hol tartottam? Persze. Csökkentettük a visszaverődést! Számszerűleg, mintegy 30%-kal. Ezt hívják ARC-rétegnek, mint anti-reflection coating. Vagy pofalemez, ki mit jegyez meg könnyebben. Még tovább is lehet ezt okosítani, persze, ha a kristályokba kis, piramis alakú gúlákat marsz speciálisan és nehezen, akkor a „piramisok” közt a fény „ide-oda pattoghat”, tehát a többszöri találkozás a felülettel további megnövelt esélyt ad a fénynek elnyelődni. Ezt onnan veszed észre, hogy a napelem felülete matt, selymes fényű. Ha ezt látod, akkor biztos lehetsz benne, hogy érdesítettek. (rossz az, aki rosszra gondol…)
Aztán ott van még a fent említett melegedés. Ez bizony, nem túl szép dolog, hiszen közismert az elektromos ellenállás hőmérsékletfüggése. (Emellett, a töltéshordozók élettartama bár nő (ahogy a diffúziós hossz is), a rövidzárási áram tehát némileg megnő ugyan, de a p-n átmenet telítési árama is megnő, ezért az elérhető kimeneti feszültségek csökkennek.) Romlik a teljesítmény és a hatásfok, na! Ideális esetben az abszolút nullán nyújtaná a napelem az elméleti legjobb hatásfokot. Kitartó Olvasóim fejében persze a régebbi posztom kapcsán megfordulhat a gondolat, hogy az abszolút zérusnak már a közelében is Cooper-párok keletkezhetnek az elektronokból, tehát az egész napelem átmegy szupravezetőbe… mindegy! Lényeg a lényeg: a napelemet hűteni célszerű. Mondjuk, alácsövezéssel. Az első fejezetre visszautalva, ekkor a „hulladékhőt” felhasználva egy kombinált napelem-napkollektort kapunk! Túlhűteni sem érdemes azért, mert egyfelől ez több meló, mint amennyit a napelem egyáltalán visszaad a gondoskodásért cserébe, másfelől az alapanyag megnövekvő fajlagos ellenállása soros ellenállásként jelentkezik a kapcsolásban, ami a hatásfok elvi növekedését nem tenné kihasználhatóvá. Tehát ha van egy kellemes hidegvizű patakod, azt érdemes átküldeni a napelemed alatt, több vesződséget nem biztos, hogy megér.
Esetleg eszedbe jutott, amikor gyermekkorodban – nagy rohadék voltál, tudom – hangyákat égettél halálra nagyítóval? Ugye-ugye, hehehe… nos, ezt a fényintenzitás koncentrációjának neveznék más helyeken. Ezzel is lehet próbálkozni, mert a napelem kimenete meghálálja, de őszintén, mi napjainkban a gond? Az, hogy kurvadrága egy napelem, vagy az, hogy nincs elegendő háztető…? Elgondolkodtató, remélem.
Aztán nem meglepő, hogy a delejt azért fémmel vezetjük le a napgépről. Még ezzel is lehet szívni, mert a rossz kontaktusok zabálják a szabad töltéshordozókat (t.i. „rekombinációs centrumként viselkednek”), ezen felül amit a fémezés letakar a napelemből, ott ugye nem fog a fény elektron-lyukpárokat generálni, de ha a fém túl vékony, akkor meg (szimpla középiskola, „vékony drót”, „rövid drót”…) egyszerűen nagy lesz az ellenállása. Ha pedig még arra sem figyelsz, hogy a napelem oldalán a két felületet összekötő, fémezéskor sajnálatos módon óhatatlanul kialakuló fémréteget (ami amúgy úgy zajlik kisüzemben, hogy haláltiszta alumíniumhuzalt wolframon 1200°C körül vákuumban elgőzölögtetve rápárologtatnak a maszkolt napelemre) valahogy lebarmold anélkül, hogy szilánkokra töröd az egész, gyakorlatilag elkészült napelemet, az szépen söntölni fogja a p-n átmenetet, az elektron meg hülye lesz a bézbólsapkád ventilátora felé elindulni, amikor a napelem oldalán lévő fémezésen keresztül toronyiránt hazamehet.
Kezdesz besokallni, Drága Olvasóm, ugye?
És akkor még direkt a végére hagytam a technológiát, mert a napelem tipikusan egy olyan dolog, amibe iszonyat csúcstechnológiát lehet rakni úgy, hogy nem látszik meg rajta, pedig a gyártók még arra a kérdésre sem fognak válaszolni, ha megkérded tőlük (tapasztalat…), hogy mondjuk „Ez a szép fekete fémkeret meg miből van, és hogy áll elő…?” Még ha mondjuk egy kupac eloxált aluméneumrud’ról van is csak szó, is sikítva fogják megölelni a gyereket, hogy „Az ipari titok, ’va anyád!” Szóval, számtalan okos módon lehet napelemet csinálni, nagyjából úgy, ahogy szendvicset. Lehet fémrétegekkel is trükközni, ha ismerős a Schottky-dióda, no, annak analógiájára a napelem is megoldható, aztán üvegre párologtatott, gőzölögtetett, katódporlasztott állatságokkal, de főképp amorf szilíciummal vékonyréteg-cella (a "háztartási" napelemek zöme ilyen); és persze lehet csinálni négyzetmilliméternél alig nagyobb területű, többrétegű, iszonyatos költségekkel előállított, de aztán iszonyatos „A mi napelemünk 1,27%-kal jobb, mint a rivális faroké!”-hírveréssel köztudatba bedobott „napelemeket” is. Azt elfelejtik hozzátenni, hogy ebből soha a büdös életbe’ nem lesz a házad tetején semmi, de apróságokon(?) kár fennakadni, ugye.

Köszönöm a figyelmedet, Nagyrabecsült Olvasóm; remélem, azért nem volt túl sok és tömény a dolog. Lényeg a lényeg, ha mától kezdve a híreket átfutva 80-90%-os hatásfokú napelemeket emlegetnek, és elképesztő áttöréseket, akkor azért kezdj el gyanakodni, hogy ha nem is füllentenek, de nem teljeskörű tájékoztatással, vagy apróbetű és lábjegyzet segítségével hülyének néznek. És ha nagyon gyanúsan jó a dolog, azért arra mindig kérdezz rá: „Aha, és mennyibe kerül, és mekkorában tudjátok ezt lerakni?”


Ha pedig bármi észrevételed van, valami nem világos, vagy szimplán jobban érdekel a téma, hagyj kommentet, vagy ne, következő műszaki ámokfutásunkban áttekintünk egy kis optikát, addig meg hadd töltődjenek azok az akkumulátorok!

(A képen egyébként polikristályos napelemcellák láthatóak sorbakapcsolva. Megfigyelhető a kb. 1 x 2 arányú téglalap felépítés, a középen főerezett "halszálka-fémezés". Az eltérő színhatást a kis szilícium-krisztallitok eltérő orientációja okozza. Mondjuk, ez egy amolyan "középkategóriás" napelem.)

Utolsó módosítás: 2009.12.19. 21:42

Hozzászólások

LordMatteo
1 | LordMatteo 2009.12.19. 22:29
Csak hogy jelezzem, végig olvastam - bár meg nem értettem... -: a turistabuszos dolog tetszett :D
2 | Szekuj 2009.12.20. 15:59
:D Neked is csak a turistabusz maradt meg.

Bár való igaz, hogy nehéz olvasmány, de azért érdekes volt számomra.
Pras
3 | Pras 2009.12.21. 12:16
Köszönöm a figyelmeteket. =) Valóban kicsit kusza a dolog, igyekeztem sem nem túlmagyarázni, sem nem hét oldalt írni; de egyúttal valami olyasmire is törekedtem, hogy azért lehessen kapni egy rálátást a témára. Ezek összességében persze nem sikerülnek maradéktalanul. :| =)
Pras
4 | Pras 2009.12.23. 23:47
Nna, készült pár fénykép egy kis töredék-napelememről, amit készítettem. Jön a lumenre a volt rendesen; lehet vele szórakozni, közel tenni a körtéhez, elforgatva a beesési szöget variálni, vagy akár a melegedés - elég jelentős - hatásfokrontó hatásától eltekintve kiméricskélni az asztal síkjában a megvilágítás intenzitásának jellegzetes haranggörbe-pontjait.
Persze, ha oldalról sikerülne valahogy leölni a fémezést biztonságosan, szebben muzsikálna a dolog, azért így is szép az életjel. =)
powerhouse
5 | powerhouse 2009.12.26. 18:49
Bírom ezeket a műszaki bejegyzéseket! Még nem vetettem bele magam igazán, de majd...
Pras
6 | Pras 2009.12.28. 01:10
Ennek örülök, pláne, mert most került fel az újabb darab. =)

Be kell jelentkezned, ha hozzá szeretnél szólni!

A blogokban szereplő bejegyzések és hozzászólások a felhasználók saját véleményét tükrözik.
Fenntartjuk a jogot, hogy az illegális tevékenységgel kapcsolatos vagy offenzív jellegű, valamint nem blogba való bejegyzéseket, hozzászólásokat előzetes figyelmeztetés nélkül töröljük.