Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!
Bevezetés
A napelemek harmadik generációjában sok új elnevezéssel és fogalommal kell megismerkednünk. Mint említettük korábban, ezen változatok működése elsősorban a kvantummechanika, kvantumfizika, fotokémia szemléletével, fogalmaival magyarázhatók és érthetők meg. A kutatók szeretnék átlépni a szilárdtest félvezetőkre megismert Shockley-Qessier korlátot. Ez hatalmas erőfeszítéseket kíván. Azonban a legutóbbi (2015-2020) fejlesztések is csak néhány tized, esetleg 1 - 2% hatásfok fejlődést hoztak. A dolgok dimenzióit illetően, egyre kisebb hosszúság tartományban, a nanométer (10E-9 m,10-9 m) tartományban vagyunk. Ez gyakorlatilag a látható fény hullámhosszának tartománya (380 – 890 nm).
Eljutottunk a G2 generációig, és folytatjuk a G3 generációval.
A harmadik generáció (G3) főbb csoportjai
- QD (Quantum Dot, MEG napelemek)
- QD Intermediate band solar cell (QD IBSC)
- CM (Carrier multiplication, MEG)
- SF (Singlet Fission) elven működő napelemek
- Hot carrier
- Nanokristályok alkalmazása
- Grafén, fullerén alkalmazások
- Perovskite alapú rendszerek
A harmadik generáció főbb jellemzői
- Nanotechnológia
- Graphén, fullerén szerkezetek alkalmazása (Buckminster)
- Hibrid technológiák (félvezető, nano)
- Intenzív kutatási irányok
- A Quantum Dot (QD és nano) technológia olyan távlatokat nyitott meg az iparágban melynek határait jelen tudásunkkal nehéz körvonalazni.
- Azért maradtak még feladatok: lezárás, tokozás, instabilitások leküzdése
QD (Quantum Dot, MEG napelemek)
Mint látható, a harmadik generáció egy igen hatalmas sokaságot felölelő család, ezért csak néhány fontosabb taggal tudunk megismerkedni.
Elsőként a „kvantum dot” QD (quantum dot, kvantum pont, kvantum csomópont) fogalmát kell jobban áttekintenünk.
Mint azt furcsa neve is sejteti, ez a fogalom, egy olyan világba tartozik, melyet eddig nem nagyon ismert a közélet, sőt talán a szélesebb körű tudományos világ sem. A hosszúság és frekvencia dimenzióinkat ki kell bővítenünk. Eddig a mikron is nagyon kicsiny méretnek számított, de most már a nanométer tartományban kell terveznünk, dolgoznunk. Az atomi méretek, és hullámhosszok tartományába érkeztünk. Nanotechnológiával, sőt Angström méretekkel dolgozunk[1], tudnunk kell az anyagi világunkat atomi szinten kezelni.
Bizonyos értelmezések szerint „mesterséges atomoknak” is tekinthetjük őket.
Mi maradjunk inkább annál a közelítésnél, hogy a kvantum dot (QD), félvezető részecskék halmaza, tulajdonképpen funkcionálisan egyesült atomcsoportokat jelöl, melyek mérete is változhat, és a mérettől függően alakjuk is változik.
A QD -tal kapcsolatos első kísérletek, elméleti szinten az NREL laboratóriumban folytak (A.J. Nozik, Physica E14,115, 2002; Ann. Rev. Phys. Chem. 52, 193, 2001.)
További fontos gyakorlati eredményeket a Los Alamosi kutató labor hozott. (2004 by Richard Schaller and Victor Klimov of the DOE’s Los Alamos National Laboratory).
Az első két ábrán (1. Ábra, 2. Ábra) az ólom szelenid kvantum dot (PbSe) oxidációs folyamatát mutatjuk be példaként, két jellegzetes állapotban.
A 2. Ábra jól mutatja, hogy a kvantum dot csomópontok, (vagy formációk) tulajdonságai (például sávszélesség), alakzatuk a mérettel összefüggően is megváltozhatnak, sőt kémiai módszerekkel tudatosan hangolhatók is.
Ez rendkívüli előnyöket jelenthet bizonyos alkalmazási területeken, de mivel bennünket elsősorban a napenergia hasznosítás érdekel, ügyesen kihasználhatjuk arra, hogy SQ korlátot kikerüljük. Emlékezzünk vissza arra a tényre, hogy ez a korlát energiasáv függő. (SQ limit
30% 1 eV esetében, és 33,7% 1,34 eV esetében!)
A kisebb sávszélességgel (energy band, eV) rendelkező anyagok esetében a kisebb energiájú fotonoktól nyerhetünk energiát és fordítva is. Az egy átmenetű (single junction) napelem szerkezetek esetében az ólomszulfid kolloidális kvantum csomópontok (colloidal quantum dot, CQD) esetében olyan energia sávszélességek (távoli infra vörös, FIR) is elérhetők melyek a hagyományos napelem cellákkal lehetetlen. Ne feledjük, hogy a Földet érő sugárzás egy jelentős része (kb. 50%) az infra (NIR, FIR) tartományba esik.
A QD solar cellák a foton átalakítási hatásfokot (egy további termodinamikus átalakítással) akár 66%-ra is megnövelhetik. A QD csoportok képesek összegyűjteni a foton gerjesztések során kialakuló – és egyébként - „hulladék energiákat” és ezzel lényegesen növelik a hatásfokot.
A 3. Ábra (a,b) egy QD sematikus képét mutatja be. tipikus mérete 3-50 nm. A QD három fő részből áll. Core – mag (például Cadmium Selenid), shell -héj (például Cadmium cink szulfid), ligands – egy adott központi receptorhoz (jelen esetben a maghoz) kötött különféle molekula vagy atomcsoportok. a külső héj ez esetben abszorberként szolgál.
A QD csomópontok jó kihozatallal állíthatók elő, különféle anyagok felhasználásával (például perovszkit) és ezeket a többnyire folyadék (gél) állapotú anyagokat egy szilárd (solid state) hordozóra viszik fel, forgótárcsás cseppentéssel (spin coating, centrifugás bevonatolás) vagy egyéb (szitanyomás, roll-to-roll nyomtatás) módszerekkel. A fluoreszcens napelem cellagyártási technológia, kísérleti jelleggel, már használja ezeket.
MEG, a multiple exciton generation (többszörös exciton képződés)
A szilícium félvezető szelet alapú napelemek alap problémája: az alacsony hatásfok.
100eső fotonból, csak mintegy 20-24 hasznos exciton generálódik.
A QD cellák előnyei és hátrányai
- Nagyon jó fénybefogó tulajdonsága van így jól használható a napelemek esetében is.
- Széles spektrumban érzékenyíthetők, a 400 és 4000 nm tartományban hangolhatók.
- A CdSe QD cellák mintegy hússzor érzékenyebbek, mint a fluorofor festékek.
- a QD cellák egyszerű és olcsó módszerekkel technologizálhatók.
- QD vékonyrétegek normál üveghordozón akár 14 évig is üzemelhetnek.
- Kompatibilisek a szokásos chip technológiákkal.
A QD hátrányai
- A CdSe QD cellák nagymértékben mérgezőek ezért, stabil polimer bevonatot kell alkalmazni.
- ezek a bevonatok megváltoztathatják az optikai tulajdonságokat, és nehezebb a részecskék méreteinek kézben tartása.
- az élő organizmusokon belüli QD -ket is tanulmányozzák a tudósok.
- alacsonyabb hőmérsékleten működnek.
- a szín átalakítási képességük alacsonyabb (color conversion)[2]
- az eszköz kihozatal alacsonyabb (gyártási probléma)
- de-koherencia[3]
Grafén – fullerén
A szén igen sokféle módosulatban létezik (gyémánt, grafit, antracén, sungit). A nanotechnológia megjelenésével még több allotrop módosulatát fedezték fel. A grafén, egy szénatom vastagságú felület. Ez a szénfelület képes többféle alakzatot is felvenni (gömb, henger, többfalú henger, csőspirál, stb.,). A C60 fullerén elnevezés egy 60 db szénatomból álló gömböt jelent. az építőiparban, ehhez hasonló felépítésű szerkezetekkel, nagy tereket lehet stabil statikai jellemzőkkel lefedni. A formációt tiszteletből Buckminster Fuller építészről nevezték el.
A fullerének közül azok stabilak, melyek sokszögű alakjában az ötszögeket csak hatszög veszi körül, mely egyben a buckminsterfullerén fontos jellemzője. Ha másodrendű kötést létesít, a gömbalak nem nagyon torzul, illetve különféle részecskék a molekula üreges belsejébe viszonylag stabilan illeszthetők be.
A grafén nano szerkezettel szén nano szálakat (szövetet) és csövecskéket tudunk létrehozni.
Perovskite szerkezetek
A perovszkit egy adott anyagokból álló, tipikus általános képlettel jellemezhető ásványszerkezet, melyet 1839-ben fedeztek fel.
Az elmúlt néhány évben a metál-halid perovszkit (MHP) anyagok gyorsan tért hódítottak az optika területén, mint ígéretes befutó nyerők.
A perovskit anyagú (típusú) napelemek, csak önmagukban, egy óriási, családot alkotnak. Általános képletük ABX3. A perovskit[4] az ásványok egy nagy csoportját jelöli, több mint 400 taggal. A szerkezetük általános képlettel is leírható, ABX3, ahol:
A - egy szervetlen vagy szerves kation (például methylammonium)
B - egy fém kation (tipikusan Pb2+ )
X3 - egy halid vegyület (tipikusan jód vagy bróm halide I- és/vagy Br- )
A kalcium titanát CaTiO3 molekula szerkezete jól példázza a „perovskit család” kristályszerkezetét.
A perovskit szerkezetek előnyei
A perovskit alapú napelemeknek számos előnyük van:
- jól hangolható sávszélesség az 1,5– 2,3 eV tartományban
- oldatokból egyszerűen állíthatók elő
- olcsó előállítás
- a perovszkit rétegek kiválóan alkalmazhatók elektron/lyuk vezető rétegként, így megnövelve a töltéshordozók szállítási hatékonyságát.
- a perovszkit rétegben igen nagy a töltésmobilitás
- nagy a gerjeszthetőségi együttható
- hosszú töltéshordozó élettartam, gyors diffúzió
- nagy abszorpciós együttható
- a perovszkit vékonyrétegek (PTF) igen kevés anyagot igényelnek
- jól „tűrik a hibákat” (bizonyos esetekben önjavítók) ezért a gyártási kihozatali arány magas
- flexibilis hordozókra is felvihetők
Sajnos hátrányaik is vannak
- környezeti hatások iránti érzékenység (nedvesség, oxigén, fény)
- mechanikai tartósság- (termikus stabilitás,
- a végső tokozási (burkolási) formák még nem alakultak ki
Összefoglalás
A jelenlegi napelem előállítási technikák elérték az elméletileg elérhető legnagyobb normál energia átalakítási hatásfokot ( ŋE; ŋ=24-30%). A világ energetikai versenye azonban ennél jóval magasabb hatásfokot igényel. A 2000-es években végzett intenzív kutatások megmutatták az egyik lehetséges, és ígéretes irányt a többszörös exciton generálást (MEG). Az anyagtudomány atomi sőt szubatomi méretekben képes technikai manipulációkra (nanotechnika, grafén).
A Quantum Dot (QD és nano) technológia olyan távlatokat nyitott meg az iparágban melynek határait jelen tudásunkkal nehéz körvonalazni.
[1] 1 mikron 10-6 m = 1000 nm ; 1 Angström = 10-1 nm
[2] QDCF vagy QDCC eszközök – színfokozó eljárások a kijelző technikában (TV, display)
[3] egy kvantum szuperpozíció széthullása : https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-540-70626-7_48
[4] Felfedezte Gustav Rose, német tudós 1839, elnevezve Lev Perovski (1792–1856) orosz tudósról. Léteznek kettős perovszkit szerkezetek is. (AA’-BB’,O6)
