A perovszkit: a napelemek csodás új generációja

A perovszkit kristályos cellák lehetnek a napenergia jövője, mert olcsón előállíthatók és hatékonyságuk messze felülmúlja a hagyományos szilícium alapú napelemekét – írja az Economist.com minapi anyaga.

Az Economist szerint gyakran elhangzik, és igaz is, hogy egyetlen óra (!) alatt annyi napfény éri a Földet, ami egy évnyi globális energiaigényt fedezne.

Ennek egy kisebb részét már most is árammá alakítják a napelemparkok: 2023 végére világszerte a napelemek közel 10 000 négyzetkilométeren (19 Budapestnyi területen!) borították a földet (illetve a háztetőket), és nagyjából 1 600 terawattóra villamos energiát termeltek, ami a világ összesített áramtermelésének körülbelül 6%-a.

(Ez a mennyiség Magyarország teljes áramellátásának mintegy 40%-át adó Paks I. atomerőmű teljes éves termelésének mintegy százszorosa! – a szerk.)

Az Economist.com adatai alapján

a beépített napelemes kapacitás mennyisége körülbelül háromévente megduplázódik.

Ez részben annak köszönhető, hogy a szilícium alapú napelemek ára egyre csökken, különösen a kínai cégek közti erős versenynek és állami támogatásnak köszönhetően, amelyek dominálják az iparágat. Ugyanakkor a kutatók is egyre hatékonyabbá teszik a napelemeket:

ezek ma már 22-24%-os hatásfokkal működnek, ami hatalmas ugrás a Bell Labs által az 1950-es évek elején (1953-ban) kifejlesztett első napelemek 6%-os hatékonyságához képest, amelyeket az első évtizedekben jellemzően műholdak áramellátására használtak, főként előállításuk magas költségei miatt.

Az Economist szerint azonban a szilícium technológiának is megvannak a korlátai. Egy szilícium alapú napelem elméleti maximum hatékonysága körülbelül 29%, vagyis ennyi napenergia alakítható árammá, a maradék hőként elvész. Ezt az elméleti maximumot is csak laboratóriumi körülmények között lehet elérni. Továbbá, amikor a napelemeket táblákba rendezik, a panelek összhatékonysága ritkán haladja meg a 26%-ot. Ez részben azért van, mert a napelemek közötti rések és a keret nem járul hozzá az áramtermeléshez, valamint az összekötő vezetékekben is energiaveszteségek keletkeznek.

Az Economist.com szerint a napenergia jövője azonban egy új, hatékonyabb típusú napelemben rejlik, amely most kezdett elterjedni. Ezek a perovszkit néven ismert kristályos anyagokból készült napelemek olyan paneleket eredményezhetnek, amelyek gyakorlati hatékonysága meghaladja a 30%-ot. Ez jelentős előrelépést jelentene a napenergia hasznosítása terén.

Miben más a perovszkit cella?

A hagyományos napelemek általában két réteg ultra-tiszta szilíciumot tartalmaznak, amelyeket egy adalékanyaggal dúsítanak, hogy félvezetőként működjenek (azaz képesek legyenek vezetőként vagy szigetelőként is funkcionálni). Amikor ezek fényt nyelnek el, az elektronok elég energiát kapnak ahhoz, hogy átugorjanak a rétegek közötti kapcsolódási ponton, ezzel elektromos áramot termelve. Bár más félvezetők is képesek erre, a szilícium ára és hozzáférhetősége verhetetlen, hiszen homokból olcsón előállítható.

Az eredeti perovszkit egy kalcium-titán-oxid nevű ásvány, amelyet 1839-ben fedeztek fel, és Lev Perovszkij orosz ásványkutatóról neveztek el. A perovszkit elnevezés azóta általános kifejezéssé vált, amely az ilyen kristályszerkezetű anyagokat jelöli. A kutatókat különösen az vonzza a perovszkitekben, hogy nemcsak hatékonyan nyelik el a napenergiát, de olcsón előállíthatók könnyen hozzáférhető anyagokból, például fémekből és halogénekből, mint a klór, a bróm és a jód.

Bár fényelnyelő tulajdonságaik már régóta ismertek, nehéz volt őket hasznosítani, főként azért, mert a perovszkitok gyorsan lebomlanak és érzékenyek a nedvességre. A kutatók ezért azon dolgoznak, hogy stabilabbá tegyék őket, és olyan gyártási módszereket fejlesszenek ki, amelyek megvédik a sejteket a környezeti hatásoktól.

Már megint a brit kutatók…

A perovszkit panelek fejlesztésében az egyik élen járó cég az Oxford PV, egy brit vállalat, amely az azonos nevű egyetem közelében működik. A cég kifejlesztette az úgynevezett tandem cellákat, amelyek egy vékony perovszkit réteget helyeznek el a hagyományos szilícium ágy felett. Az elképzelés az, hogy a két anyag együttesen több energiát képes kinyerni a napfényből, mint külön-külön. Ahhoz, hogy ez sikerüljön, a felső perovszkit réteget úgy módosítják, hogy a kék spektrum végi fényt nyelje el, míg az alsó szilícium réteg a vörös hullámhosszakat hasznosítja – magyarázza Chris Case, a cég műszaki igazgatója.

A cég Németországban nyitott egy gyárat, amely nemrégiben elkezdte szállítani az első kereskedelmi forgalomban elérhető tandem-cellás napelemeket egy meg nem nevezett amerikai közművállalatnak. Ezeket a paneleket egy új, hálózathoz csatlakozó napelemparkban helyezik el a hagyományos szilícium alapú egységek mellett. Ez lesz az első alkalom, hogy a perovszkitok ilyen léptékű tesztelésen esnek át, nemcsak hatékonyságukat, hanem tartósságukat és élettartamukat is vizsgálják. Mivel a szilícium napelemek várható élettartama 20-25 év, a perovszkitoknak hasonlóan hosszú élettartamot kell bizonyítaniuk.

Az első gyártott panelek átlagos hatékonysága 24,5%, jegyzi meg Dr. Case. Egy fejlesztés alatt álló új generáció már 26,9%-ot ért el, és a kutatások folytatásával várhatóan jóval 30% fölé emelkedik. A laboratóriumi körülmények között a perovszkit tandem cellák elméleti hatékonysági határa körülbelül 43% (összehasonlítva a szilícium 29%-ával), bár valószínűtlen, hogy ezt a határt a panelekbe integrálva is elérik.

Drágább lesz a perovszkit tandem cella

A tandem cellák kezdetben valamivel drágábbak lesznek, bár a kereskedelmi árakat még nem hozták nyilvánosságra. Azonban a termelési volumen növekedésével a méretgazdaságosság csökkenti majd a költségeket. Mivel több energiát tudnak előállítani, mint a hagyományos szilícium panelek, a megtérülésük is gyorsabb lehet – mondja David Ward, az Oxford PV vezérigazgatója.

Más cégek is közel állnak ahhoz, hogy piacra dobják a perovszkit-szilícium napelem változataikat. A dél-koreai Hanwha például 137 milliárd wont (102 millió dollárt) fektetett egy tandem cellákat gyártó üzembe. A laboratóriumban az egyes cellák hatékonysága elérte a 29,3%-ot, ami azt jelenti, hogy az új panelek jelentősen jobbak lehetnek az áramtermelésben.

Nem meglepő, hogy a kínai beszállítók is aktívan kutatják a perovszkitokat. A jelenlegi világrekordot a laboratóriumi perovszkit tandem cellák hatékonyságában 2023 júniusában a LONGi Green Energy Technology állította fel 34,6%-kal. A cég 2023 októberében kezdte meg a cellák tömeggyártási folyamatait. LONGi egy prototípus kereskedelmi panelnél 30,1%-os hatékonyságot is elért, bár még nem közölték, mikor kezdődik a tömeggyártás.