Szolárcellák – A Nap földünkre sugárzott energiáját az emberiség hagyományosan csak világításra használta és egyébként élvezte a növényvilágra zúdított energiát az élet fenntartására. Később kihasználtuk a melegítő hatást fűtésre (napkollektorok), majd villamos feszültséget keltő hatásuk indított reményteljes fejlődést a napelemek megjelenésével. A szilícium alapú szolárcellák egyre komolyabb szintet érnek el, immár a „zöld” energiatermelés élenjáró módszerei között, de korlátai jelentkeznek, az energiahatékonyság telítés felé közeledik. A félvezető változatok új utat nyitnak, a szilíciummal kombinált perovszkit panelek megduplázni látszanak a hatékonyságot. Cikkünkben bemutatjuk a perovszkit szolárcellák fejlődését.
1. A perovszkit szolárcella
A perovszkit ásványt ugyan már több, mint 100 éve ismerjük, a kalcium-titanát kristályok (CaTiO3) kristályos formában a Föld sok területén bányászhatók, de kedvező félvezetős tulajdonságait csak a közelmúlt kutatásai hozták ipari szintre. Elnevezése is érdekes módon született meg, ami világszinten elfogadott, ugyanis nem anyagnevén, hanem felfedezőjéről kapta nevét (Lev Perovski (1792–1856) orosz minerológus után, és bár az angol Perovskite elnevezés a szakirodalomban világszerte használt, mi magyar elnevezését használjuk). A kutatás-fejlesztés és egyben az ipar élvonalába került a téma, a világ vezető cégei (a Föld összes kontinensét beleértve) egyesület-szerű együttműködésben dolgoznak, legalább 50 tagot beleértve. Magyar tagról nem tudunk, de a lengyelek találmányaikkal világhírnévre tettek szert, Szlovákiában japán beruházás épül, ideje lenne itthon is foglalkozni a témával.
A perovszkit eredendő, névadó anyaga tehát a kalcium-titanát (CaTiO3), tipikus kristályszerkezeti köbös elrendezésű, a kockák sarkaiban titánatomok vannak, a szélek közepén oxigénatomok, és egy kalciumatom a kocka közepén. Az ásványban a rács közepén alkáliföldfém, legtöbb esetben stroncium található. A perovszkit ásványoknak mintegy 400 változata létezik, közös bennük a felépítés, amely ABX3 szerkezettel jelölhető. Ebben A-val és B-vel a kationokat jelöljük, X-szel az aniont, és az A komponens nagyobb, mint B.
A szolárcellákban nem ezt az eredeti anyagot használják, hanem a hasonló kristályszerkezetű metil-ammónium ólom halogenidet, amelyben a halogén anyag jód, bróm vagy klór, képlete CH3NH3PbX3, a metil-ammónium kationt PbX3 oktaéder veszi körül. A felépítést az 1. ábra mutatja.
1. ábra: Perovszkit szolárcella kristályfelépítése: a) kristályszerkezet, b) metil-ammónium ólom trihalogenid kristály
A perovszkit félvezetőkkel az ipar nagyon sok területén tapasztalható együttműködés, amiből talán legnagyobb jelentőségű a szolárcella, de a fénykeltő eszközöktől (LED, lézer) a szenzor elemekig alkalmazása sokrétű. Cikkünkben a napcellával foglalkozunk. Ezen a téren kevés hazai eredményről számolhatunk be, de a munkában a Magyar Napelem Napkollektor Szövetség több mint 300 tagvállalat érdekképviseletével (hwww.mnnsz.hu/) van jelen.
A hagyományos napelemek szilícium fotodióda szerkezetű elemekből épülnek fel. Gyártásuk eléggé komplikált, ami árukra is kihat, ráadásul energiaátalakító hatásfokuk lassan telítésbe kerül, újabb jelentős növekedés nem várható. További hátrányként említhető, hogy a szilíciumréteg fényt abszorbeáló képessége eléggé behatárolt, miközben a fényhasznosítás is kívánnivalót hagy maga után. A perovszkit anyag beépítése hatalmas fejlődést hozott, a szilíciumrétegre perovszkit anyagból réteget képezve hatásfokuk a hagyományos 19%-ról több mint 26 %-ra nőtt, ami az újabb fejlesztések eredményeként a jövőben várhatóan tovább nő. Mi is hát a perovszkit napelem?
A leggyakrabban használt perovszkit energia-abszorbáló anyag a perovszkit napelemben a metil-ammónium ólom trihalogenid (CH3NH3PbX3, ahol az X anyagrész I−, Br− vagy Cl− iont, azaz jódot, brómot vagy klórt képvisel). Kutatási-fejlesztési fokon álló, maximális napelem energia-átalakítási teljesítményének fejlődése 1976 óta folyamatosan növekszik és néhány helyen gyártásba került. Az ólom – környezetkárosító voltának köszönhetően – azonban nemkívánatos elemnek bizonyult, alkalmaznak egyes változatokban ónt vagy egyéb anyagot. A perovszkit elemek fejlődését az USA National Renewable Energy Laboratory (vagyis „Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriuma) kíséri figyelemmel.
Az első megjelenési forma japán fejlesztés eredménye (2009), hatásfoka gyenge volt, de olcsó gyárthatósága miatt reményteljes volt. A perovszkit cellák ugyanis nem a hagyományos bonyolult félvezető technológiával születnek, a pn átmenetű fotodióda-elemeket nem bonyolult integrálási technológiával gyártják, hanem perovszkit anyagot tartalmazó folyékony anyag rétegképzésével.
A perovszkit napelemeket jelenleg kétféle formában gyártják, amelyet a 2. ábra mutat.
2. ábra: Perovszkit cella felépítése: a) vékonyréteg forma, b) perovszkit-szilícium tandem forma
A 2/a ábrán a perovszkit anyag vékonyréteg formájában termel villamos áramot, a 2/b ábrán a vékonyréteget hagyományos szilícium napelemre terítik, tandem módon összegezve ezzel a kettős áramtermelő hatást. Ennek érdekében a szilícium és perovszkit rétegek közé olyan anyagréteget visznek fel, amely a perovszkit félvezető rekombinációs készségét segíti. Ez a kivitel drágább ugyan, de hatásfok előnyökkel jár.
A perovszkit napelemek vékonyrétegű eszközök, amelyek rétegek egymásra rakásával készülnek. A rétegek felvitele történhet nyomtatással, folyékony tintákkal vagy vákuum-depozícióval. Komoly eredményt ért el a lengyel Saule Technologies, világszabadalommal védett tintasugaras felviteli mód alkalmazásával (lásd később).
A nagyüzemi gyártás során jelentős kihívást jelent a kis méretű laboratóriumi cellákban elért magas hatékonyság fenntartása a nagy méretű modulok esetében. A perovszkit napelemek gyártásának jövője nagymértékben attól függ, hogy a kutatók képesek lesznek-e megoldani ezt a problémát. Eredményekről egyre gyakoribb a híradás mind az anyagok, mind a technológia terén.
A gyártástechnológia mellett egyre nagyobb jelentősége van a felhasznált anyagoknak. A perovszkit lényegében egy kristályszerkezet fogalmát jelenti, az anyagok változnak. A kutatások folyamán kérdéses volt, hogy szerves vagy szervetlen anyagokat használjanak. A szervetlen réteganyagok használatával (reményteljes eredmények voltak cézium használatával, CsPbI3), a fotovoltaikus cella tiltottsáv szélessége 1,7 eV-ra nőtt, de a réteg nem volt stabil. A megoldást a szerves, ill. szervetlen-szerves keverék anyagok hozták meg. Ezek a rétegek ugyanis behozták a szilícium napelemek vörös-spektrumérzékenységével szemben a kékérzékenységet, amely energiában nagyobb jelentőségű, hatásfokjavulást eredményezett.
Napelemek első (és mindmáig talán vezető) anyaga a metil-ammónium ólom-trihalogenid, általános képlete: CH3NH3PbX3, ahol az X a halogén ion, többnyire indium I−, bróm Br−, vagy klór Cl−, ahol a tiltott sáv 2,3 eV és 1,57 eV között van, attól függően, hogy melyik a halogenid ion alkotja a perovszkitot. Az ólomtartalmú vegyületek jelenlétének egészségügyi veszélye okozta aggodalom miatt a kutatók ónnal helyettesítik az ólmot, CH3NH3SnI3 vegyülettel. Ilyen napelem használatával egyúttal 6%-os energiaátalakítási hatásfok emelkedést értek el. A szakmédia sűrűn beszámol az ilyen és ehhez hasonló eredményekről, cikkünkben ezekre nem térünk ki, hiszen a felhasználást a piaci tényezők is meghatározzák. Azt viszont sajnálatosan jegyezzük meg, hogy a hazai piacon nemhogy gyártásról, fejlesztésről, de még kereskedelmi elérhetőségről sem számolhatunk be.
2. A perovszkitok fotovoltaikus alkalmazása
A perovszkitok az új idők ikonikus félvezetője, előnyösen alkalmazhatók szolárcellákban, LED-es fénykeltő eszközökben, újabb kutatások szerint lézerek előállításában, a kapcsolatos technológiák pedig a PQD-k (perovszkit kvantumpontok), a grafén és rétegcellák gyártásában. A világ földrajzilag legkülönbözőbb pontjain folynak kutatások és fejlesztések a perovszkit anyagok fotovoltaikus alkalmazására, és egyre több helyen ez gyártással is párosul. Az első ilyen típusú napelemet a japán Tsutomu Miyasaka fejlesztette ki 2009-ben. Az akkori napelem hatékonysága még igen alacsony, mindössze 3% volt. 2014-ben a Koreai Tudományos és Műszaki Egyetem létrehozott egy perovszkit napelemes eszközt, amelynek hatékonysága 20,1% volt. Azóta a hatékonysági rekordot az Egyesült Államokban, Dél-Koreában, Svájcban, Kínában, az Egyesült Királyságban és Németországban lévő csapatok döntötték meg.
Újabb időkben megszokhattuk, hogy Kína az első sorokba küzdi magát, így van ez a napelemek témájában is. A müncheni Intersolar Europe szakmai rendezvényen a kínai GCL Technology lenyűgöző eredményekkel rukkolt elő legújabb perovszkit napelem technológiájával. A cég szóvivője bemutatta a GCL perovszkit moduljait, amelyeket már tavaly év végén beépítették a China Three Gorges 1 MW-os naperőművébe. A 3. ábra mutatja a rendszert.
3.ábra: A China Three Gorges 1 MW-os perovszkites naperőműve
Az egyik vezető állomás az Oxford PV. (angol cég, amely Oxford PhotoVoltaic rövidítéséből kapta nevét), amely 2014 óta fejleszti és forgalmazza ezt a technológiát, a közelmúltban 26,9% -os modulhatékonysági rekorddal. A cég szilíciumcellás hagyományaira építve kifejlesztette a tandem napenergia technológiát, amely első darabjait közüzemi léptékű létesítményekben tervezik használni. Ez a fejlesztés a perovszkit tandem napelem első kereskedelmi telepítését jelenti világszerte. A piacon elérhető első Oxford PV panelek 24,5% -os modulhatékonysággal rendelkeznek, ami jelentősen meghaladja a hagyományos szilícium technológiát. A paneleket perovszkit-szilícium cellák táplálják, amelyeket az Oxford PV megawatt méretű kísérleti gyártósorán gyártanak Brandenburg an der Havelben, Németországban. Az elkövetkező években az Oxford PV azt tervezi, hogy a termelést gigawatt léptékűre növeli egy jövőbeli nagy volumenű gyártóhelyen.
További kimagasló eredményt mutatott 2020 januárjában a berlini Competence Centre Photovoltaics kutatóközpont, megdöntötte az Oxford PV rekordját, amikor saját perovszkit-szilícium tandemcellája 29,15% -os hatékonyságot ért el, 2020 augusztusában pedig az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma jelentette be, hogy 20 millió dollárt különített el a perovszkit napelemes technológia kifejlesztésére.
A fejlesztési munka eredményeképpen idén áttörést értek el a stabil n–i–p monolitikus perovszkit/szilícium tandem napelemek fejlesztésében, amelyek hatékonysága mára meghaladja a 29%-ot. Az új megközelítés a kétoldalú polikristályos szilícium/szilícium-dioxid passziváló kontaktusos szilícium cellákon alapul, amelyek olcsóbbak és fenntarthatóbbak a hagyományos heteroátmenetes (HJT) szilícium napelemeknél. A kutatók kifejlesztettek egy új, adalékanyag-mentes két rétegű lyuktranszport réteget (HTL) a perovszkit felső cella számára, amely növeli a cella hatékonyságát. Az új szerkezet javítja a nyitott áramkör feszültségét és a kitöltési tényezőt. A 4. ábra a napelem-változatokat mutatja.
4.ábra: Tandem kialakítású perovszkit napelem
A kérdés megoldásán más fejlesztő csoportok is dolgoznak. A koreai Ulszan Nemzeti Tudományos és Technológiai Intézet (UNIST) kutatói kétirányú koordinátort építettek be a perovszkit fotoaktív réteg és az elektronszállító réteg közé. A kutatócsoport trifluor-acetát (TFA-) ionokat vezetett be a perovszkit réteg és az ón-oxid szubsztrát közé, amely elektronszállító rétegként (ETL) szolgál a hibák enyhítésére.
A TFA karboxilát csoportja (-COO) szilárdan kötődik az ón-oxidhoz, növelve a szerkezeti stabilitást. Ezzel egyidejűleg az organikus fejcsoport (-CF–3) hatékonyan csökkenti a hibákat a kétirányú molekuláris hangolás révén, amely kölcsönhatásba lép a perovszkit réteggel. Ez a megközelítés lehetővé tette a kutatócsoport számára, hogy ellenőrizze a perovszkit vékonyréteg szabálytalan szerkezetét, jelentősen javítva a töltéshordozó mobilitását. A kapott perovszkit fóliák, amelyekre jellemző az eltemetett interfészek hiánya és a minimális szakítószilárdság, 25,60% -os energiaátalakítási hatékonyságot (PCE) értek el, az eredményt a gyártástechnológia árában is értékelni kell. A TFA beépítésének kristályrendező szerepét az 5. ábra mutatja.
5.ábra: TFA réteg beépítése perovszkit szolárcellába
A növekedést szinte naponta jelzi a híradás.
A szaúd-arábiai Abdullah Király Tudományos és Műszaki Egyetem (KAUST) kutatói új hatékonysági rekordot állítottak fel egy „tandem” napelemmel, ami két különféle anyagot ötvöz (Science Alert hírek). A napelem-panelekben számos anyag használható, mindegyiknek megvannak a saját tulajdonságai és jellemzői, és nagyban eltér a hatékonyságuk, áruk, de az is, hogy mennyire könnyű őket beépíteni egy napelembe.
Jelen esetben a KAUST munkatársai az olcsóbb – és gyakrabban alkalmazott – kristályos szilíciumot kombinálták a hatékonyabb, ámbár kevésbé megbízható perovszkittal, így megütve a 33,2 százalékos hatékonyságot – megdöntve az eddigi 32,5 százalékos rekordot. Az eredményeket a European Solar Test Installation (ESTI) hitelesítette. A 6. ábrán a KAUST eredményét látjuk.
6. ábra: A KAUST fejlesztette perovszkit szolárcella
És hol a felső határ?
A napelemek hatékonyságát PCE-ben mérik, és a 100 százalékos érték jelentené azt, hogy az összes elérhető napfényt elektromos energiává lehetne alakítani veszteség nélkül. Az új megoldás hatékonyságát az adhatja, hogy a felül elhelyezkedő, perovszkit anyag a kék, míg az alatta lévő szilikon a vörös fényeket nyeli el a legjobban, így a rendelkezésre álló napfény nagyobb részét lehet felhasználni.
A fejlesztések sorát egy lengyel csoport látványosan és kimagaslóan emelte. A Saule Technologies korán beállt a fejlesztős sorába és mára világcéggé nőte ki magát. Fejlődése példa értékű. Az induló ötletet Olga Malinkiewicz adta 2013-ban, a Valencia egyetem PhD hallgatójaként, a perovszkit fotovoltaikus anyagot folyadék formájában – a festéknyomtató patronok tintasugaras technológiájának mintájára – cseppek formájában szórják a hordozófólia felületére (7. ábra). 2014-ben két társával megalapította a Saule céget, a technológiát megvalósította, első gyártmányaként mobil telefon töltőt készített, amely világsikerré vált (a mobiltelefonok óriási fejlődésének köszönhetően).
7. ábra. A Saule napelemgyártás csepptechnológiája
A sikerek láttán és a kutatás-fejlesztési eredményeknek köszönhetően a cég elindult a növekedésben. Elsőként az építészetet választották célterületté, szoros kapcsolatot építettek ki a svéd Skanskaval, ezzel napcelláikkal eljutottak a világ minden területére, beleértve a leggazdagabb amerikai, dubai, japán és egyéb piacokat. 2018-ban megalkotják (a világon az elsők között) a féligáteresztő perovszkit fóliát, amely üveglapok között ablakként is működött, energiát termelve, a gyártás 2021-re ipari méreteket öltött.
A Saule kimagasló eredményének tekinthető, hogy nem csupán perovszkit napelem táblákat gyárt, esetleg a felhasználó rendelési méreteinek megfelelően, hanem komplett gyártmányokat, amelyek „kiszolgálják” a felhasználót. Ilyen gyártmányuk az energiagyűjtő napellenzők, amely egy épület ablakain zárt állapotban árnyékolnak a túlzott napsütés ellen, és közben energiát termelnek, a megtermelt energiával (távvezérelten, automatikusan) nyithatók, a köztes állapotokban is. Erre mutat példát a 8. ábra.
8. ábra Perovszkit napelemes redőny: a) zárt állapot, b) nyitott állapot
A rendszert BAPV megoldásnak nevezik az angol Building Attached Photovoltaics rövidítés szerint. A fejlődés azonban nem áll meg, hiszen az intelligencia fokozatosan beépül gépeinkbe, így a cég kifejlesztette és gyártja a BIPV rendszereket is (Building Integrated Photovoltaics), amellyel integrált napelemes rendszereket lehet építeni.
A Saule rendszerek nem állnak meg az épületvoltaikánál, más területeken is sikereket érnek el. Így gyártanak autóbeállókat, amelynek falait perovszkit napelemes panelek borítják, kamionok tetőbevonatával energia áll rendelkezésre a tartalom hűtésére, hajók vitorláiba építve hajtóenergia áll rendelkezésre, ugyanez drónokba építve nem korlátozza a működési időt a beépített akkumulátor stb. A szolárcella fóliák a beépítési felületek görbületeit követni tudják, kis túlzással mondhatjuk, hogy a festékanyag energiával látja el a munkadarabot.
A Saule az épületvoltaikának megfelelő energiarendszereket kicsiben is gyártja, az IoT-nek megfelelően mindennapi eszközeink energiaellátására perovszkit elemeket építenek be sok hátköznapi eszközbe. Ennek egyik sikeres megvalósítása az áruházak polccímkéi, amelyek internetes rendszerben távvezérelhetők az aktuális tartalomra, energiaellátását pedig a napelem megoldja. Nagy piaci sikere van.
3. Összegzés
A napelemek jelentősen hozzájárulnak a „zöld” energiahasznosítási törekvésekhez. A szilíciumcellák teljesítményhatárai megtorpantatták a fejlődést, de a perovszkit anyagokkal a problémamegoldás újraéledt. Három pontban foglalható össze:
- A perovszkit napelemek 20% -kal hatékonyabbak, mint a hagyományos szilícium cellák
- A szilíciummal ellentétben elnyelik a nap spektrumának kék részét
- A Perovskite könnyű, rugalmas alkalmazásai az egész világ számára energiát hozhatnak
Szerző: Lambert Miklós
Ha feliratkozik a Műszaki Magazin Hírlevelére, sosem marad le a híreinkről! További friss híreket talál a Műszaki Magazin főoldalán! Csatlakozzon hozzánk a Facebookon is!
