bélyegkép|jobbra|200px|Napelemcella (egykristályos)
A napelem vagy fotovillamos elem, amit az angol photo-voltaikus kifejezésből a magyar szakirodalom olykor PV elemnek is nevez, olyan szilárdtest eszköz, amely a elektromágneses sugárzását (fotonbefogást) közvetlenül villamos energiává alakítja. Az energiaátalakítás alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít, vagyis elektromos áram jön létre. Ez a jelenség bármilyen megfelelő fényspektrummal rendelkező fényforrás esetén is lezajlik, nem szükséges hozzá kizárólagosan a Nap fénye.
A napelemekre általában 20-25 év a garancia, jellemzően 20-40 év az élettartamuk. A napenergia hasznosításában hosszabb távon számottevő növekedés várható.
A napelemek eltérnek a ma létező nagy teljesítményű naperőművektől. Ezek jellemzően más technológiát alkalmaznak; a naphőerőművek esetén a Nap sugárzó hőenergiáját folyadéknak adja át sugárzó hőátadással ami túlhevítéssel gőzturbina meghajtásos villamos generátorral szolgáltat áramot. A napelemmel történő áramelőállítás egyértelmű előnye, hogy működése nem jár semmilyen melléktermék kibocsájtásával, emiatt környezetkímélően és költséghatékonyan működik és a napsugárzás kifogyhatatlansága miatt megújuló energiaforrás, hátránya a magas telepítési költség, valamint a napsugárzás szögétől és az időjárástól függő rendkívül váltakozó teljesítmény és az egyenetlenül előállított energia nehéz tárolhatósága.
200px|thumb|right|Nappanelek a Réunion szigetcsoporthoz tartozó Mafate szigeten (Marla)
Története
A fotovoltaikus hatást Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus demonstrálta először sikeresen 1839-ben, 19 éves korában. Ez évben építette meg a világ első fotovoltaikus elemét apja laboratóriumában.
Willoughby Smith brit elektromérnök az 1860-as években kezdett kísérletezni a fotovoltaikus technológiával egy véletlennek köszönhetően. Ezekben az években tenger alatti kábelekkel végzett kísérleteket, melyek közben felfedezte, hogy az ezekhez használt szelén éjszaka máshogyan viselkedik, mint nappal. 1873-ban a Nature tudományos folyóiratban jelentette meg "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current" című tanulmányát, amely a szelén fotovoltaikus tulajdonságát írja le.
Charles Fritts amerikai feltaláló 1883-ban építette meg az első modern értelemben vett napelemet: félvezető szelént vékony, félig átlátszó aranyfilmmel vont be, így képes volt áramot előállítani. Fritts napelemének hatékonysága nagyjából 1% körül volt.
Heinrich Hertz 1887-ben fedezte fel a fényelektromos (fotovoltaikus) jelenséget, munkája alapján pedig egymástól függetlenül 1888-ban Alexandr Sztoletov orosz és Wilhelm Hallwachs német fizikusok megállapították, hogy az ultraibolya sugarak negatív töltésű fémlapból negatív töltést szabadítanak ki és megépítették az első fotovoltaikus napelemeket.
A fotoelektromos hatást Albert Einstein magyarázta meg 1905-ben, amiért megkapta az 1921. év fizikai Nobel-díját.
Az 1930-as években a Brown, Boveri & Co. már fotózáshoz használható fénymérőben használt napelemet, de nem volt sikeres, horribilis ára miatt alacsony maradt a gyártás szintje, a BBC lapja nem is említi.
Az első modern félvezető napelem szabadalmát a tranzisztorok kutatásával foglalkozó Russel Ohl jegyezte be 1946-ban. Az első hatékony, széles körben alkalmazható, szilícium félvezetőn alapuló napelemet 1954. április 25-én mutatták be a Bell Laboratories szakemberei; kifejlesztői Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller és Gerald Pearson amerikai tudósok voltak.
A nyilvánosság csak később figyelt fel a napelemekre, amikor az Amerikai Egyesült Államok Haditengerészete felhasználta azokat a Vanguard-1 műhold megépítésekor 1958-ban.
A következő két évtizedben fokozatos fejlesztések történtek, éppen a haladás miatt azonban a napelemek ára magasan maradt. Azokat ugyanis elsősorban az űrtechnológiában történő felhasználás irányába fejlesztették, a lehető legnagyobb hatásfokú megoldást keresve, akár nagy költségek árán is. Így a kevésbé hatékony, egyben kevésbé költséges megoldásokkal ebben az időben nem foglalkoztak a kutatók. Az árakat elsősorban a félvezető ipar határozta meg, s a költségcsökkentést végül azt tette lehetővé, hogy az 1960-as években átálltak az integrált áramkörök használatára. 1971-re egy watt napelemmel történő előállításának költsége 100 dollárra csökkent.
Elliot Berman 1969-ben alapította meg a Solar Power Corporationt, amely 30 évre előre tekintve azzal számolt, hogy az elektromos energia az ezredforduló idejére nagymértékben drágul majd, ami vonzóbbá teheti az alternatív energiaforrások használatát. Berman kutatása ekkor azt mutatta, hogy ha képesek volnának a wattonkénti előállítási árat 20 dollárra leszorítani, azzal már számottevő kereslet támadna a technológia iránt. Új fejlesztésű, olcsóbb terméküket 1973-ban mutatták be, használatukról pedig sikerrel győzték meg az Egyesült Államok Parti Őrsége számára navigációs bójákat gyártó Tideland Signal vállalatot.
A földi alkalmazásokra előállított napelemek fejlesztése akkor indult igazán be, amikor az amerikai Nemzeti Tudományos Alapítvány létrehozta fejlett napenergiás alkalmazások kutatásával és fejlesztésével foglalkozó részlegét, amely 1969 és 1977 között működött.
Az 1973-as olajválságot követően több olajipari vállalat fektetett napenergiával foglalkozó cégek felvásárlásába. Az 1970-es és 1980-as években az Exxon, az ARCO, a Shell, az Amoco (amelyet később a BP vásárolt fel) és a Mobil saját napenergia-részlegeket üzemeltettek és ezekben az években ők voltak a legnagyobb termelők. A fejlesztésekben részt vett a technológiai szektor több vállalata is, így például a General Electric, a Motorola és az IBM.
Napelemek Magyarországon
A napelemek első magyarországi megjelenéséről és a kezdeti időszakban történő elterjedéséről, lakossági felhasználásáról nincsenek megbízható adatok, a pontos dokumentáció hiányában nehéz meghatározni, hogy mikor telepítették az első napelemeket. A világ és a térség építészeti, energetikai trendjeit figyelembe véve valószínűsíthető, hogy Magyarországon is az 1980-as évek végén, az 1990-es évek elején jelent meg az ipari-kereskedelmi célú napelemes felhasználás.
Nagyméretű napelemes erőmű üzemel többek között Bükkábrányban (Mátrai Erőmű Zrt. 22,6 MW), továbbá Pakson (20,6 MW), a MET Dunai Solar Park (Százhalombattán) 17,6 MW, Monoron 4 MW (Alteo Nyrt) teljesítményű. A telepített teljesítmény 2018-ban 640 MW volt, a 2017-ben kiadott engedélyek összteljesítménye 2000 MW, amelyeknek 2019 végére meg kellene épülniük.Még nagyobbat robbant a napelempiac, mint ahogy eddig gondolták, 2019-07-05 A háztartási méretű kiserőművek létesítése (max. 50 kVA) az igénybejelentésre adott előzetes áramszolgáltatói tájékoztató feltételei szerint lehetséges.
Az első magyar napelemgyár
Magyarországon az első napelemgyárat 1997-ben nyitották meg, a Dunasolar Napelemgyártó Rt. 1997 tavaszán kezdte meg a működését. A beruházás részben amerikai, részben magyar tőke bevonásával valósult meg, a budapesti telephelyen működő gyár egy magyar feltaláló szabadalmát alapul véve folytatta tevékenységét.
A 9,2 millió dolláros beruházás induló tőkéjét az amerikai Energy Photovoltaics Inc. 51%-ban, a Magyar Fejlesztési Bank Rt. 49%-ban állta.
A technológia a maga idejében forradalminak számított, a Dunasolar gyárában csúcstechnológiának számító eljárással készültek a napelemek. Az 1990-es évek közepén a budapesti gyárban használt amorf szilícium (a-Si) vékonyréteg-technológia valóban forradalminak volt mondható a napelemek gyártási folyamata során.
A Dunasolar Napelemgyártó Rt. fennállása csúcsán 150 embert foglalkoztatott (vezetőket és alkalmazottakat egyaránt beleértve), termelési csúcsteljesítménye 5 MW volt. Ez körülbelül 125 000 napelemnek felelt meg az akkori 40 wattos DS40 főtermék szerinti bontásban. Annak idején nemcsak európai, hanem világviszonylatban is jelentősnek számított ez a mennyiség, a Dunasolar a világ összes gyártókapacitásának 0,5-1%-át tette ki.
2000-ben még komoly kapacitásbővítést tűztek ki célul a Dunasolarnál, azonban a csökkenő európai és magyarországi kereslet miatt nem lett nyereséges a vállalat. Kóbor Miklós cégvezető szerint akkoriban még nem volt elég fejlett a magyar piac a környezetbarát technológia alkalmazására és az állami támogatás is jelentősen elmaradt a kívánatos mértéktől.
A gyár többször cserélt tulajdonost, az utolsó 2003-ban adta el a Dunasolart, ekkor végleg bezárták Magyarország első napelemgyárát, a vezetőket és az alkalmazottakat elbocsátották. Ebben az időben a cég 90 százalékos részesedéssel bíró tulajdonosa a Wallis Rt. volt, a gyártósorokat egy thaiföldi vállalat vette meg, amely a megállapodás szerint el is vitte a napelem gyártásához szükséges berendezéseket.
A Dunasolar öröksége A Dunasolar működése során 1997 és 2003 között jelentős technológiai tapasztalat gyűlt össze, amely a Dunasolar kereskedelmi igazgatója és társai által 2003-ban alapított – és 2015-ben megszűnt – GAIASOLAR Kft.-ben öröklődött.
2005. október 8-án hálózatra kötötték Magyarország első szolárerőművét. A Gödöllői Szent István Egyetem kollégiumi épületére telepített, nagyjából 10 kWp teljesítményre képes szolárerőműnek a 2/3 része a Dunasolar gyártósorán készült DS40 napelemből áll. A kísérleti projekt keretében megvalósult fotovillamos minierőmű kivitelezésére a Gaiasolar kapott megbízást.
Az erőmű az átadást követő 10 évben hibamentesen üzemelt és körülbelül 83 500 kWh energiát termelt.
Összehasonlítás bélyegkép|jobbra|200px|Napelemek és napraforgók (Németország) „Csak természetesen!”
Azt az energiát, amely az összes Földön található és kitermelhető kőolajkészletekben rejlik, a Nap 1,5 nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség jelenlegi, évi energiafogyasztását a Nap egy órányi energiakibocsátása teljes egészében fedezné.
Ugyanakkor a napelemek elterjedését nagymértékben hátráltató tényező az áruk, aminek két fő oka az előállításuk energia- és csúcstechnológia-igényessége, a kis széria, továbbá, hogy csak napsütésben képesek hatékonyan működni. Az utóbbi években azonban (főként a kínai napelemgyártás felfutása, és a tömegtermelés megjelenése miatt) folyamatosan csökken a napelemek ára. Korábbi szakmai előrejelzések 2010 utánra várták, hogy a napelemmel termelt áram ára megegyezzen a fosszilis energiatermelés költségével, de ez eddig még nemcsak nem következett be, hanem a 2014-ben bekövetkezett nagymértékű nyersolajár-csökkenés az áregyenérték elérését, legalábbis ideiglenesen, jobban eltávolította.
A napelemek fajtái
Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg: Kristályos napelemek: a mono- és polikristályos technológiával készülő napelemek napjainkban a legelterjedtebb napelem-technológiának számítanak. A szilícium félvezetőn alapuló elemeket 1954-ben mutatták be. Monokristályos szilícium napelemek: a szilíciumok drágák, de hatékonyak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napelemek esetében). Legnagyobb teljesítményét merőlegesen beeső napfénynél képes leadni, így gyakran használják ún. napkövető berendezések részeként. Polikristályos szilícium napelemek: Némileg olcsóbbak, ám kevésbé hatékonyak. Hatásfokuk 13-18% között van, az átlagos hatásfok kb. 15%. A gyengébb (reggeli, esti, szórt) fényt is viszonylag jó hatásfokkal képes hasznosítani.