A nanotechnológia határozhatja meg a napelemek jövőjét

Egyetlen energiaforrásunk sem versenyezhet azzal a hatalmas energiával, amelyet a Nap sugároz folyamatosan a Földre. A napenergiát ma még drágán és kis hatékonysággal alakítjuk át elektromossággá, illetve hővé, ezért egyelőre nem is játszik meghatározó szerepet energiamérlegünkben. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma számára készített elemzés szerint a biológia, az anyagtudomány, valamint a nanotechnológia újabb eredményei alapján a hatásfok lényeges javítása várható. Az új lehetőségekről az amerikai fizikusok folyóirata, a Physics Today márciusi száma közölt összefoglalót.

A kitermelhető olajkészletekben rejlő összes energiának megfelelő mennyiséget a Nap másfél nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség évi energiafogyasztása egyetlen órányi napsugárzásnak felel meg. Hatalmasak tehát a kihasználható lehetőségek. A napenergia többféle módon hasznosítható: napelemekben közvetlenül elektromossággá alakítható, természetes vagy mesterséges fotoszintézis révén üzemanyagokat lehet előállítani, és a napfénnyel hőt is termelhetünk.

Ma a világ elektromosenergia-termelésében mindössze 0,015%-os részarányt képvisel a napfényből nyert energia, míg a hőtermelésben 0,3%-ra tehető a részesedése. A természetes fotoszintézis révén keletkezett biomassza az emberiség energiaigényének 11%-át elégíti ki, de az elégetett fák kétharmada helyett nem ültetnek újat, és a tüzelés is zömmel kis kályhákban történik, rossz hatásfokkal. Energiatermelésünk 80-85%-ban a fosszilis források hasznosítására épül, s eközben a források fogyóban vannak, eloszlásuk pedig egyenetlen. Felhasználásuk üvegházhatású gázok kibocsátásával jár. A napsugárzás fotonjaira építő energiatermelés viszont nem befolyásolja az éghajlatot, mindenütt rendelkezésre áll, kimeríthetetlen, ezért vonzó energiaforrás.

Elektromos energia napenergiából

A kereskedelmi forgalomban kapható, drága szilícium-egykristályból készített legjobb napelemek 18%-os hatásfokkal alakítják át a napenergiát elektromossággá. Ugyanilyen anyaggal laboratóriumban 25%-os hatásfokot is elértek, az elméleti határ pedig 31%. Más anyagokkal természetesen más hatásfok érhető el. A kutatók olyan olcsó anyagokat keresnek, amelyek nagy hatásfokkal végzik el az átalakítást. Vannak már jelöltek, például a festékanyagokkal érzékenyített félvezető-oxidok, de ezek alacsony hatásfokúak (nem érik el a 10%-ot). Szerves anyagokból még olcsóbban készíthető napelem, ám hatásfokuk csak 2-5%. Az anyagilag kedvezőbb megoldások közé tartozik az amorf szilícium, a nanokristályos szilícium, a kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid alapanyag, de ezeknek is jellemzőjük a viszonylag kis hatásfok. Az egyre bővülő kutatások révén egyre többet tudunk az anyag viselkedéséről a nanovilágban, s egyre jobban megértjük, hogyan zajlanak nanoméretekben a folyamatok. Ezektől az ismeretektől remélhető az olcsó és nagy hatásfokú anyagok előállítása: ezek lesznek a harmadik generációs napelemek.

A mai napelemek a beeső napsugárzás spektrumából csak nagyon kis hányadot hasznosítanak, azt a keskeny sávot, amely megfelel a félvezető anyag bizonyos jellemzőinek. Ha a napsugárzást koncentrálják, akkor többfotonos folyamatok is adnak járulékot, különböző tulajdonságú félvezetőkkel pedig a spektrum nagyobb része hasznosul, így a hatásfok akár a 66 százalékot is megközelítheti. (A klasszikus fotoeffektusnál a beeső foton energiájának meg kell haladnia egy küszöbértéket [kilépési munka], hogy kilépjen egy elektron. Nagy intenzitásoknál lépnek fel a többfotonos jelenségek; ezt úgy lehet elképzelni, mintha több küszöb alatti, kis energiájú foton hatása összeadódna.)

Az első festékkel érzékenyített anyagot 1991-ben készítették el. A festék a növények zöld klorofilljának a szerepét játssza el, befogja a fotont, ettől az egyik elektronja gerjesztett, vagyis magasabb energiaállapotba kerül. Ez az elektron aztán gyorsan átmegy a szomszédos titán-dioxid nanorészecske vezetési sávjába, majd hasonló nanorészecskéken keresztül vándorolva jut el végül az elektródára.

Megoldásra vár a festékszemcsék miniatürizálása is, hogy minél kisebb legyen a napelem két összetevőjének egymástól való távolsága, és az elektron rövid úton léphessen át. A hatásfok növelésében fontos szerep vár a kvantumpontokra, kvantumpöttyökre. Ólom-szelenid, ólom-szulfid és kadmium-szelenid nanokristályokban egyetlen bejövő fotonnal sikerült 7 elektront is kelteni, míg a szilíciumban 1 bejövő foton jó esetben 1 elektront kelt. A cél az, hogy tömegesen lehessen ezeket a nanokristályokat beépíteni a napelemekbe.

A fotonok hatására keletkezett elektronok gyorsan leadják energiájukat és alkalmazkodnak környezetük hőmérsékletéhez. Nem mindegy tehát, milyen gyorsan lehet az elektronokat kivezetni a napelemből. Nagyon rövid (femtoszekundum, a másodperc ezerbilliomod része) impulzusú lézertechnikával már feltárták a félvezetőkben lezajló folyamatok részleteit, ezeket az ismereteket hasznosítják majd a harmadik generációs napelemek tervezésénél. Megoldásra vár még egy nagy probléma: a napelembe beépített milliárdnyi nanopöttyből el kell vezetni az elektronokat egyetlen közös áramba.