Napelemek: valóságos forradalom zajlik a háttérben, soha nem látott energiatermelést ígérnek szakértők
Itt állíthatja be, hogy a Google keresőben elsők között legyen a VilággazdaságA perovszkit félvezetők rendkívül hatékonyan alakítják át a napfényt elektromos energiává. Ráadásul olcsók és kifejezetten könnyűek. Kutatók egy olyan hármas csatlakozású napelemet fejlesztettek ki, amely különböző perovszkit rétegekből áll. A Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) csapata a hatékonyság növelése érdekében grafén-oxidból és önrendeződő monorétegből (SAM) hozott létre egy újfajta kettős réteget a lyukvezetés javítására. A kutatás eredményeit összegző cikk a Joule tudományos folyóiratban jelent meg.
Olcsóbb, könnyebb, hatékonyabb napelemeket ígér az új technológia
Ez az innovatív megoldás egyszerre növeli a teljesítményt és a hosszú távú stabilitást. A tanulmány szerint a napelem 27,3 százalékos hatékonyságot ért el, és több mint 770 órányi működés után is stabil maradt. A többrétegű cellák lényege, hogy a különböző sávszélességű anyagok egymásra építésével a fényspektrum sokkal nagyobb része hasznosítható.
A lyukvezetés (vagy más néven hiányvezetés) a félvezető anyagokban – például a tranzisztorokban és diódákban – zajló áramvezetési mechanizmus. Amikor egy elektron elhagyja a helyét (a kovalens kötést), egy üresedés, úgynevezett "lyuk" keletkezik, amely pozitív töltésű részecskeként viselkedik. Amikor egy szomszédos elektron betölti ezt a lyukat, a lyuk vándorol, és ez a mozgás elektromos áramot hoz létre.
Az eljárás alacsony gyártási költséget és csekély súlyt ígér, így a panelek rugalmas hordozófelületekre is felszerelhetők.
A szakemberek három különböző perovszkit elnyelőt rétegeztek egymásra. Steve Albrecht, a HZB Perovszkit Tandem részlegének vezetője szerint a struktúra egy Big Mac-hez hasonlít, ahol a zsemléket különféle töltelékek választják el egymástól. A fejlesztés fókuszában a középső és a hátsó alcellák közötti réteg állt. A hátsó elnyelő réteg egy alacsony sávszélességű, ón-ólom alapú félvezető. Ezen a ponton a hagyományosan használt PEDOT:PSS polimer gyors minőségromlást és fényelnyelési veszteséget okoz.
A PEDOT:PSS a poli(3,4-etiléndioxi-tiofen) és a poli(sztirol-szulfonát) keverékéből álló polimer. Kiváló elektromos vezetőképességéről, optikai transzparenciájáról és oldhatóságáról ismert, ezért széles körben alkalmazzák napelemekben, OLED kijelzőkben, antisztatikus bevonatokban és bioelektronikai eszközökben.
Dr. Philipp Tockhorn csoportvezető ezért szisztematikusan vizsgálta a különböző lyukvezető rétegek hatását. Az ólomalapú celláknál már bevált SAM monorétegeket alkalmazták, amelyek nagy szerves molekulákból állnak, és önállóan rendeződnek egyetlen sorba. A tiszta SAM réteg az ón-ólom környezetben önmagában nem működött jól a lassú töltéstranszport miatt.
Cél a 30 százalék feletti hatékonyság
Yeonghun Yun a tanulmány egyik társszerzője elmondta, hogy a probléma megoldására egy extra hordozóréteggel kísérleteztek a SAM alatt. A kutatók végül felfedezték, hogy a grafén-oxid (GO) bevonat morfológiailag és elektronikusan is stabilizálja az elválasztó felületet. A GO/SAM kettős réteg beépítése drasztikusan csökkentette az optikai veszteségeket a hagyományos megoldásokhoz képest.
A 27,3 százalékos hatásfok kiemelkedő eredménynek számít ebben a technológiai kategóriában. A tartós tesztelés során a cellák megőrizték eredeti teljesítményük több mint 90 százalékát, ami új stabilitási rekordot jelent.
Albrecht professzor úgy véli, hogy az egyedi perovszkit rétegek minőségének további finomításával a jövőben a 30 százalékos hatékonyság is elérhetővé válik.
A perovszkit alapú hármas csatlakozású napelemeknek jelentős piaci előnyeik vannak a jelenleg elterjedt szilíciumtechnológiával szemben. A legfontosabb gazdasági és gyakorlati tényezők a következők:
- A szilíciumcellák előállítása rendkívül energiaigényes, magas hőmérsékletű és tiszta téri folyamatokat igényel. Ezzel szemben a perovszkit rétegek folyadékfázisból, egyszerűbb és olcsóbb kémiai eljárásokkal, lényegesen kisebb energiabefektetéssel vihetők fel a felületekre.
- A rideg és nehéz szilíciumtáblákkal ellentétben a perovszkit anyagok ultrakönnyűek. Mivel hajlékony hordozófelületekre is felvihetők, teljesen új piaci szegmenseket nyitnak meg, így járművek karosszériáján, hordozható elektronikai eszközökön vagy akár épületek ablakain és íves homlokzatain is alkalmazható lesz.
- A hagyományos szilícium napelemek fizikai korlátok (az úgynevezett Shockley–Queisser-határ) miatt maximum 29 százalék körüli hatékonyságra képesek.
Ugyanakkor a legelterjedtebb szilícium napelemek hatásfoka ma átlagosan 17-22 százalék között mozog. A kereskedelmi forgalomban kapható monokristályos panelek hozzák a magasabb, 20-24 százalékos csúcsértékeket, míg a kedvezőbb árú polikristályos típusok hatékonysága 15-18 százalék körül alakul.
A perovszkit cellák említett 30 százalékos hatásfokú működéséhez mikrométeres nagyságrendű, rendkívül vékony rétegek is elegendőek. Ez a minimális anyagigény egyaránt csökkenti a globális ellátási láncoktól való függőséget és a nyersanyagköltségeket.
Bár a laboratóriumi eredmények kiemelkedőek, a technológia tartóssága és nagy felületen történő gyártása még további fejlesztéseket igényel.
