Az elmúlt évtizedek a napelemek robbanásszerű fejlődését hozta. Napjaink energiaválsága pedig egyre jobban rávilágít arra, hogy mekkora szükség van a napelemek által megtermelt energiára. A hagyományos, szilíciumalapú napelemanyagok tipikus hatásfoka 15 százalék körüli. Egy új, nemrégiben felfedezett anyagcsalád – az ún. metilammónium-ólom-halid-perovszkitek – használatával laboratóriumi körülmények között már 30 százalékos hatásfokot értek el, és reményt mutatnak arra, hogy ez akár tovább is növelhető. Az a tény, hogy egy nem szilíciumalapú anyag is lehet jó napelemek céljára, a kutatókat további új anyagok vizsgálatára sarkallja.

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem kutatóinak magyarázata szerint a napelem-alapanyagok a fény energiáját úgy hasznosítják, hogy a bejövő fotonok hatására bennünk ún. elektronlyuk-párok keletkeznek, melyek aztán elektromos áramot termelnek.

A felhasználhatóság szempontjából rendkívül fontos tényező a napelem belsejében gerjesztett töltéshordozó párok mennyisége és ezek élettartama.

Lehetséges ugyanis, hogy a keltett elektronlyuk-párok egyszerűen megsemmisülnek, ezt hívják rekombinációnak. Egy félvezető anyagban a rekombinációs folyamat előtt a réteget elhagyó töltéshordozók járulnak hozzá a napelem energiatermeléséhez. Az új típusú félvezetők töltéshordozó rekombinációs idejének vizsgálatából ennek köszönhetően információ szerezhető a napelemként való felhasználásukról.

Lehet, hogy át kellene tájolni a napelemeket Magyarországon

Az ELTE kutatói a napraforgók fénymaximalizáló viselkedését vizsgálva arra jutottak, hogy a napelemtáblák akkor termelik a legtöbb energiát Magyarországon, ha nem délre, hanem a dőlésszögüktől függően kissé kelet felé tájolják azokat.

A BME szakemberei által vezetett kutatás során ezt a rekombinációs időt és gerjesztett töltéshordozó mennyiséget vizsgálták. Az ACS Photonics folyóiratban publikált tanulmány első szerzője, Bojtor András a BME-n folytatja a doktori tanulmányait, ezzel párhuzamosan a Semilab Félvezető Fizikai Laboratórium Zrt.-ben dolgozik, és magát a kutatást a Lausanne-i Svájci Szövetségi Műszaki Egyetemen végezte Forró László professzor csoportjában. „Ez a kutatóút egy kivételes lehetőség volt nekem, amikor is az itthon megszerzett tudásomat egy nagyon jól felszerelt laboratóriumban tudtam kamatoztatni” – mondta el Bojtor András.

A félvezetőipar nagy erőkkel keresi a szilíciumot hatásfokban túlszárnyalni képes, gyártási költség és nehézség tekintetében ideálisabb félvezető anyagokat. Ezek közt az anyagok között egy széles körben kutatott anyagcsalád, a metilammónium-ólom-halid-perovszkitek csoportja. Ezek az anyagok rendkívüli fotovoltaikus tulajdonságuknak és könnyű, olcsó előállításuknak köszönhetően kerültek a figyelem középpontjába. Alkalmazásuk azt az ígéretet hordozza, hogy a jelenlegi anyagoknál sokkal magasabb hatásfokú napelemek lesznek belőlük készíthetők.

Kevesebb napelem a tetőn, önmagát feltöltő autó

A Napból négyzetméterenként kb. 1 kW fényteljesítmény érkezik, és Magyarországon az éves átlagos napsütéses órák száma 2000. Egy átlagos fekvésű és tájolású esetben úgy számolhatunk mintha a napelemeinket 1000 órán keresztül optimálisan (derékszögben) sütné a Nap. Tehát az éves átlagos 2500 kWh-os fogyasztást tekintve, egy napelemrendszernek 2500 W-os csúcsteljesítménnyel kell rendelkeznie. A jelenlegi napelemtechnológia hatásfokát tekintve ehhez 17 négyzetméternyi napelemre van szükség, ezt a mennyiséget az új technológiák jelentősen csökkenthetnék.

De akár olyan személyautókat is lehetővé tennének, amelyek saját napelemmel a tetőjükön magukat feltöltenék. Ehhez azt vehetjük figyelembe, hogy egy átlagos személyautón kb. 4 négyzetméternyi napelemet lehet elhelyezni. Tekintve, hogy 10 kWh energia kb. 100 km megtételéhez elég,

egy nagyhatásfokú napelemrendszerrel az autó saját magát képes lenne feltölteni minden nap akár a napi 100 km-es távhoz.

Ezt az új villanyautót adott esetben szinte sosem kell töltőre dugni

A méretes napelemmel szerelt, tisztán elektromos hajtású újdonság hatótávja meghaladja a 600 kilométert.

A BME, az Eötvös Kutatási Hálózat Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói az École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Svájc) és a University of Notre Dame (USA) – nagyrészt szintén magyar – kutatóival együttműködve vizsgálták az ún. metilammónium-ólom-halid-perovszkitekben a keletkező töltéshordozók élettartamát és azok számát. A kutatás során 4 K hőmérsékletig hűtötték az anyagcsalád három különböző módosulatát, majd a hőmérséklet növelése során 4 K és 300 K között megfigyelték a rekombinációs folyamat változását. A kutatás során megfigyelték, hogy az anyagok szerkezeti átalakulásai hogyan befolyásolják a napelem-hatásfokot, amiből meg tudták jósolni, hogy milyen irányban érdemes tovább vizsgálódni. Összehasonlították a jódot, brómot és klórt tartalmazó mintát, megfigyelték a minta gyors és lassú hűtése során jelentkező különbséget, valamint három különböző mintakészítési módszerrel készült metilammónium-ólom-bromid kristály esetén vizsgálták a morfológia hatását a rekombinációs folyamatra.

„Nagyon izgatottak vagyunk, hogy a kutatásaink révén esetleg a napelem anyagok újabb generációja előtt nyílhat meg az út, egyben lelkesen folytatjuk a további kutatásokat ebben az irányban” – mondta el Simon Ferenc, a BME egyetemi tanára, a közlemény rangidős szerzője.

Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos felfedezésekről is hírt adó Facebook-oldalát.