A jelenleginél jobb hatásfokú és olcsóbb napelemek előállításához járulhatnak hozzá azok az eredmények, amelyeket Gali Ádám, a kutatásait az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban, az Akadémia kiválósági programjának keretében folytató fizikus és társai publikáltak a Physical Review Lettersben.
"Óriási módszertani áttörésnek" nevezte Gali Ádám, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetének és a BME Atomfizika Tanszékének kutatója azokat az elméleti számításokat, amelyek eredményéről a közelmúltban számolt be doktoranduszával, Vörös Mártonnal, valamint a University of California, Davis egy kutatócsoportjának tagjaival. A módszer leírását hosszabb cikkben közölték, míg a legfontosabb eredményeket Lettersként publikálták.
A magyar fizikusok és tengerentúli társaik az általuk kifejlesztett programmal azt vizsgálták, növelhető-e a napelemek hatásfoka nanokristályokkal, vagyis nanométer méretű kristályszemcsékkel. A kutatók szerint a kérdésre a válasz: igen. "Az elméleti számításokkal sikerült kimutatnunk, hogy a szilícium egy kevéssé vizsgált speciális fajtája, az úgynevezett tércentrált köbös szerkezetű szilícium nemcsak hogy jobban nyeli el a fényt, de nanokristályos formában az ütközéses ionizáció, vagyis az a kölcsönhatás, amelynek következtében egy magas energiájú töltéshordozó több alacsony energiájú töltéshordozót hoz létre, nagyon hatékony" -– összegezte eredményeiket Gali Ádám. Mint elmondta, korábban már sikerült ilyen nanokristályokat létrehozni, arra azonban eddig senki sem gondolt, hogy a napelemek hatásfokát éppen ezekkel a nanokristályokkal lehetne növelni. Márpedig ez az olcsó és környezetbarát energia előállításának egyik kulcskérdése.
Jelenleg 32 százalékos a határ
A jelenlegi, viszonylag olcsó, félvezető anyagból felépülő napelemek hatásfoka ugyanis még a technológia tökéletesítése esetén sem mehet az elméleti, körülbelül 32 százalékos határ fölé. A háztetőkön látható poliszilícium napelemek pedig még ennek – az eddig csupán laboratóriumi körülmények között elért – elméleti hatásfoknak a felét sem érik el. "Ez azt jelenti, hogy a fény energiájának legkevesebb 68 százalékát nem hasznosítjuk, a nem hasznosuló energia nagy részét pedig a napelem melegítésére pazaroljuk el" – hangsúlyozta a lendületes kutató. A probléma egyik megoldása az ütközéses ionizáción alapulhat. "A folyamat ahhoz hasonló, mint ami a diódákban tapasztalható negatív előfeszítés esetén, de ebben az esetben külső elektromos tér nélkül is létrejön" – magyarázta Gali Ádám. A kutatók azt remélik, hogy hőtermelés helyett sikerül további energiát továbbítani az elektromos szektorba. Mindezt úgy, hogy egy napelem által elnyelt, magas energiájú fénykvantum (foton) nem egy töltéshordozót generál, mint a szokványos napelemekben, hanem akár kettőt-hármat is. Ennek hatására a napelem akár másfélszer annyi áramot termelhet, növelve a hatásfokot. "Ez nagyon nagy szó egy olyan területen, ahol már egyetlen százalék hatásfokjavítás is áttörést jelent" – emelte ki a fizikus.
Napelemek három generációja
Az első generációs napelemek előállításához félvezető-technológiát, valamint tipikusan szilíciumszeleteket használnak. A második generációs napelemszerkezetek vékonyrétegekből készülnek. Az eljárás hátránya, hogy vagy a gyártási költség túl magas a napelem hatásfokához képest, vagy a napelem hatásfoka lesz alacsony. A harmadik generációs napelemek előállításánál az egyik lehetséges irány a félvezető nanokristályos szerkezetek használata. A kutatók azt remélik, hogy alacsony gyártási költség mellett is sikerül a napelem hatásfokát növelni.
Mivel az ütközéses ionizáció a szilíciumkristályban nagyon alacsony hatásfokú, a kutatók olyan anyagokat kezdtek keresni, amelyeknél nem az. "Ilyenek a csupán néhány ezer atomot tartalmazó nanokristályok, amelyekben a kvantummechanikai kölcsönhatásnak köszönhetően megnő az ütközéses ionizáció folyamatának hatásfoka. Ráadásul előállításuk nem igényel bonyolult, a jelenlegi napelemekhez használt technológiát – például nem kell annyira figyelni az eljárást jelentősen megdrágító tisztaságra – így ez megoldás nem csak hatékonyabb, de egyben olcsóbb napelemet is eredményez" – sorolta a felismerésből fakadó előnyöket Gali Ádám.
A lendületes kutató doktoranduszával, Vörös Mártonnal, valamint a University of California, Davis szakembereivel, Stephan Wippermann és Dario Rocca posztdoktor kutatókkal, illetve Giulia Galli és Zimányi T. Gergely professzorokkal és más kísérleti csoportokkal közösen azon dolgoznak, hogy a harmadik generációs napelemekhez szükséges nanokristályokat hozzanak létre. A kutatók bíznak benne, hogy erőfeszítéseik – amelyeket az MNV Zrt. is támogat – eredményeként akár egy éven belül megszülethet az első laboratóriumi napelem.
Az európai kutatások élvonalába tekinthetnek be fiatal a kutatók azon a nemzetközi konferencián, amelyet Vörös Márton, Gali Ádám doktorandusza szervez a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Intézetében május 20-24-e között. Az eseményen a kvantummechanikai szimulációk fiatal szakemberi számolnak be legújabb eredményeikről. Az Európai Unió által kezdeményezett, immár tizedik European Theoretical Spectroscopy Facility konferencia hozzájárulhat ahhoz, hogy Budapest is elismert csomópontja legyen az ETSF hálózatnak.
