Hírlevél
Bejelentkezés
Új felfedezés: Kulcsmegoldás a hatékonyabb napelemek gyártásához
A közelmúltban olyan felfedezés született, mely elképzelhető, hogy erőteljesen befolyásolja a jövő energiapolitikáját. A Columbiai Egyetem tudósai bebizonyították, hogy egy új anyag használatával sokkal hatékonyabbá lehet tenni a jelenlegi szilíciumból készült szolár cellák hatékonyságát.
A felfedezésnek köszönhetően jelentősen csökkenteni lehetne a fosszilis energiafelhasználást.
A Columbiai Egyetem kémiai professzora, Xiaoyang Zhu által vezetet csapat kutatása során egy új anyagra, az úgynevezett Hibrid szerves-szervetlen perovszkitokra (HOIP-s) koncentrált. A Science magazinban publikált eredményeik megmagyarázzák, hogy ezek az új anyagok miért sokkal hatékonyabbak a hagyományos szolár celláknál, és ezzel megoldottak egy rejtélyt, mely az elkövetkező években arra ösztönözheti a tudósokat és mérnököket, hogy hasonló tulajdonságokkal rendelkező, új napelemes anyagokat találjanak fel.
„A megújuló energiaforrások iránti igény olyan kutatásokat motivált, melynek során a fosszilis tüzelőanyagokkal gazdaságilag versenyképes szolár technológiákat kerestünk" nyilatkozta ZHU professzor. „Azok az anyagok között, melyeket az újgenerációs szolár cellákhoz fedeztek fel, a HOIP bizonyult a szupersztárnak. Idáig senki sem tudta megmagyarázni, hogy miért működik olyan jól, és mennyit javíthatunk még rajtuk. Mi most már tudjuk, hogy a HOIP-alapú napelemek még sokkal hatékonyabbá tehetőek, mint bárki is gondolta volna.
A napelem a napfényt villamos energiává alakítja. A napelemek, más néven a fotovoltaikus panelek leggyakrabban vékony szilikon rétegből készülnek, mely az energiát a szerkezet belsejébe vezeti, és ott egyenárammá alakítja. Azoknak a szilikon paneleknek, amelyek jelenleg a napelemek piacát uralják, 99,999 %-os tisztaságúnak kell lenniük, közismerten igen törékenyek és drága az előállításuk. Még egy mikroszkopikus hiba is – mint például rossz helyen lévő, hibás vagy extra ion – olyan változást tud okozni a panel kristályszerkezetén, amellyel megakadályozza, hogy a napból érkező energia megfelelő módon jusson be a szerkezetbe, és ezáltal kevesebb áramot tud termelni.
2009-ben japán kutatók kimutatták, hogy lehetséges HOIP alapú napelemeket készíteni, és ezek a napelemek akkor is képesek a napfényből energiát előállítani, ha a kristályokban jelentős mennyiségű hibás elem volt. Mivel nem kell tisztának lennie, a HOIP-ot nagy mennyiségben és alacsony költségekkel lehet előállítani.
A Columbia csapata 2014 óta vizsgálta a HOIP-ot. Jelenlegi felfedezéseik segíthetnek növelni a napenergia felhasználását, amely a globális felmelegedés időszakában kiemelt prioritású.
Az elmúlt hét évben a tudósoknak sikerült a HOIP-os panelek hatékonyságát 4 %-ról 22 %-ra növelni. Összehasonlításként, a kutatóknak 6 évtizedre volt szükségük, hogy a szilikon cellák hatékonyságát a jelenlegi szintre fejlesszék, és még a jelenlegi szilikon panelek is csak 25 %-os hatékonysággal képesek a napsugarakat elektromos árammá átalakítani.
Zhu a felfedezésről így nyilatkozott: „A tudósok még csak most kezdik kihasználni a HOIP-ban rejlő lehetőségeket."
A teoretikusok már régen kimutatták, hogy a szilikon panelek által valaha elérhető maximum hatékonyság 33 % körül lehet.
Az elektronok számára több száz ezredmásodpercre van szükség, hogy a napelemnek arról a részéről, ahol feltöltődnek a nap energiájával, eljussanak arra a részére, ahol átalakulnak elektromos árammá és betáplálhatóak az elektromos hálózatba. Miközben a napelemen belül ez a mozgás végbemegy, a feltöltött elektron gyorsan veszítenek az energiájukból. Így a számítások során muszáj bizonyos mennyiségű energiaveszteséget feltételezni. De a Columbia csapata felfedezte, hogy HOIP-os rendszernél az energiaveszteség kevesebb, ezáltal a panelekből nagyobb hatékonyságot tudnak kihozni a tervezők.
„Úgy gondoljuk, a teljesítmény akár meg is kétszerezhető" – nyilatkozta Prakriti P. Joshi, Ph.D. diák, aki közreműködött a tanulmányban.
„Ez igazán izgalmas, hiszen új terület nyílik meg a mérnöki szakmában"- tette hozzá Zhu. „Ez megmutatta nekünk, hogy lehetséges olyan sokkal magasabb hatékonyságú napelemek létrehozása, amilyenre soha nem is gondoltunk."
Miután ezt bemutatták, a csapat máris a következő kérdéssel foglalkozik: Mi adhatja a HOIP molekuláris szerkezetében ezt az egyedi tulajdonságot? Hogyan kerülik el az elektronok a hibákat?
Felfedezték, hogy ugyanaz a mechanizmus, mely lelassítja az elektron energia hűtését, megvédi az elektronokat az ütközési hibáktól is.Vagyis a napelemek perovszkitos bevonata azzal a tulajdonsággal ruházza fel a napelemeket, hogy félvezetőként funkcionálhassanak bármilyen hőmérsékleten, ezáltal kiküszöbölhetők a hőmérsékletváltozásból adódó viselkedési hibák.
Azonban semmi sem tökéletes. A HOIP ólmot tartalmaz, és vízben oldódóak, ami azt jelenti, hogy a napelemek is oldódni kezdhetnek és beszivároghatnak a környezetükbe, ha nem védik őket megfelelően a környezeti hatásoktól.
Zhu tudta, hogy azokat a különleges mechanizmusokat, amelyek a HOIP egyedülálló hatékonyságát adja, a tudósok képesek lesznek leutánozni, és olyan anyagokat előállítani, melyek környezetbarát megoldásokkal rendelkeznek.
Ahogy nyilatkozta: „Most folytathatjuk a munkát, és létre kell hoznunk olyan anyagot, mely környezetkímélő, és megoldja a problémát, ami miatt mindenki aggódik. Ez a fejlesztés egy új területet is nyithat a tudományban azok számára, akik szeretnének napelem-alkalmas anyagokat létrehozni."
