Most már értem a napenergiát XVI. - A fény - elektromos energia átalakító egységek anyagainak és konstrukcióinak áttekintése

Bevezetés

A fény-elektromos energia átalakítás lehetőségét, 1837-ben, elsőként Edmond Becquerel tárta fel a tudomány számára. Akkor indult el az a folyamat, mely mára – a később bekapcsolódó kutatók tízezreinek munkája nyomán - világméretű napelem iparrá vált, és mely teljes kiteljesedését még korántsem érte el.

Mióta a tudósok rájöttek arra, hogy a korábban feltárt Shockley – Queisser felső határnál (SQ limit) is nagyobb hatásfokot lehet elérni bizonyos trükkökkel (koncentrátorok, többszörös-nap rendszerek…, hibrid rendszerek, az élőlények és a technikai eszközök házasítása) azóta egyre nagyobb elvárások fogalmazódnak meg a napelemek energia hozamát illetően. Fontos tudnunk, hogy a Shockley – Queisser felső határ csak a hagyományos, szilárdtest, egy-átmenetű P-N (single PN junction) cellákra vonatkozik. Ez azt jelenti, hogy több átmenetes (multijunction vagy más konstrukciójú) napelem cellák esetében ez a határ lényegesen meghaladható, és akár 80% feletti érték is lehet.

Ezt, a – már-már irreális - elvárást nemcsak a tudományos versengés hajtja, de a világszerte egyre növekvő energiaigények is késztetést jelentenek.

A kutatások eredményeképpen az is egyértelmű, hogyha a napenergia hozamokat iparszerűen akarjuk beilleszteni a jelenlegi „energia-termelési” és elosztói rendszereinkbe, akkor sürgősen néhány alapvető feladatot meg kell oldanunk:

1. A napelemek tömegszerű előállítása
2. Az ár csökkentése
3. Az átalakítási hatásfok jelentős növelése (akár új konstrukciók létrehozásával!)
4. A minőség és minőség-ellenőrzés növelése (élettartam, kihordási élettartam vonatkozásában)
5. A társadalmi elfogadottság növelése illetve átalakítása elvárássá
6. A napelemek stabil, megbízható rendszerintegrációjának megoldása (energy balance, egyetemes szolgáltatók)

A feladatok megoszlanak a tudományos kutatás, ipari termelés, folyamatirányítás, energetikai rendszerintegráció, stb…, területeken. Cikkünkben elsősorban a 3. ponttal fogunk foglalkozni.

Az alternatív energiaforrások jelentősége

A legfontosabb és mennyiségében is a legnagyobb fejlődést akkor érte el az emberiség, amikor a fosszilis energiahordozókra támaszkodva, az ipari forradalom időszakában, létrehozta azokat a technikai gépeket, eszközöket és folyamatokat, melyek a mai kor technikai hátterét képezik. Ám hamarosan kiderült, hogy a korábbi időkben megszokott (és kényelmessé vált) energia erőforrások, hosszú távon nem képesek biztosítani a további ipari fejlődés hátterét, és nem képesek ellátni a körfolyamatos (ciklikus, öko) társadalmat és az ezt kiszolgáló háttér struktúrákat.

A szén, fa, olaj, gáz, (nukleáris) forrásokból, primer módon, egyelőre, csak hőenergia formában tudunk kinyerni számunkra hasznos energiát. Minden egyéb energetikai forma biztosításához, további átalakításokat kell végezni, melyek veszteséget jelentenek.

Az energiával, energetikával, és energia-politikával való foglalkozás, mára divatos, némelykor jövedelmező foglalkozássá vált. Ez azt is jelenti, hogy a korábbi, komolyabb, „zártkörű” foglalkozás felhígult, itt is hályogkovácsok jelentek meg, akik mindig mindent, azonnal „tutira” meg tudnak magyarázni, és felszínes tudásukat, az interneten szakmai kontroll nélkül ontják, mint a vízesés.

A napelem ipar fejlődése viszont oly gyors, hogy – rövid időn belül - a korábban megismert, félvezető szelet alapú P-I-N szerkezeteken túlmenően olyan szerkezetek, elvek is meg jelentek, melyek akárcsak alapvető szintű megértése is, túlmutat a szokásos fizikai eszköztárunkon, és quantum fizikai ismereteket követel.

Ez a tény láthatólag meghaladja a „kalandozó energetikai szakértők” eszköztárát, ennek ellenére - erőltetett menetben folyik a „zöldezés, zöldítés, zöldellés, zéró-energiázás” és - a fogalmak és elméletek sokkal jobban keverednek, mint korábban.

Az új konstrukciók jelentős részében nagy szerepet kap a folyamatok kvantumfizikai értelmezése. Ezek kevéssé ismeretesek a nagyközönség számára, ezért cikkünkben áttekintjük az új technológiákat és ismertetjük az új fogalmakat.

Az ipari forradalom

Az ipari forradalom egyik ígéretes ajándéka volt az elektromosság/elektromos áram felfedezése és alkalmazása. Mára az is nyilvánvaló, hogy a villamos energiával működő gépeket, eszközöket nem tudjuk nélkülözni, meglétük, az emberiség fejlődésének további lehetőségét biztosítják. Ahhoz, hogy villamos energiát nyerjünk, a korábban idézett energiaforrásokat kétszeres átalakításon kell átvezetni, és mindegyik lépcső, jelentős veszteségeket jelent. Célszerű lenne olyan forrásokat találni, mellyel egylépcsős átalakítással nyerhetünk villamos energiát. Szerencsénk van, mert az alternatív (megújuló) energiaforrások közül (nap, szél, víz, biomassza, geotermikus) számos olyan van, mely kimenetén közvetlenül villamos energiát kapunk. Az alternatív energiaforrások között az egyik legígéretesebb csoport, a napenergián alapuló, közvetlen fény-elektromos átalakítók (röviden napelemek) halmaza.

Cikkünkben áttekintő jelleggel fogjuk megvizsgálni a közvetlen fény-elektromos átalakítások, illetve a közvetett, például fény-hő-villamos energia átalakítások hagyományos és modernebb eszközeit és a lehetőségeket és az újabb elveket.

A közvetlen fény-elektromos átalakítási folyamatok

A közvetlen fény-elektromos átalakítási folyamatok általánosan azzal jellemezhetők, hogy a fényt (mely kettős természetű, egyszerre foton részecske és hullám1,2 foton) elektron-lyuk párrá, azaz excitonná alakítjuk. Minél több foton kvantumot tudunk ecxitonná (elektronná) alakítani, annál nagyobb hatásfokot (fizikai, IQE3, EQE) kapunk. A fotonok - számunkra hatékony – befogásának szigorú feltételei vannak. Sajnos nem minden foton gerjeszt excitont, és nem minden exciton alakul át elektronná.

A napelemek működése

Foton-kölcsönhatások szilárdtest félvezetőkben

Szilárdtest félvezetőkben számos, a fotonok abszorpcióját és emisszióját eredményező folyamat játszódhat le4. Ezek közül a legfontosabbak a következők:

Sáv-sáv (sávok közötti) átmenetek:

Egy a valenciasávban lévő elektron egy fotont abszorbeálva felgerjesztődhet a vezetési sávba, ezáltal egy elektron-lyuk pár keletkezik (KKK-a ábra). Egy elektron-lyuk rekombináció pedig egy foton emisszióját eredményezheti. A sáv-sáv átmeneteket egy vagy több fonon keltődése kísérheti.

Egy fonon az anyagban az atomok molekuláris vagy akusztikus rezgéseivel kapcsolatos rácsrezgéseknek egy kvantuma.

Átmenetek a szennyezési nívók és a sávok között

Egy abszorbeált foton átmenetet eredményezhet egy donor (vagy akceptor) nívó és egy sáv között az adalékolt félvezetőben. Egy p-típusú anyagban pl. egy alacsony energiájú foton egy elektront gerjeszthet fel a valenciasávból az akceptor nívóra, ahol egy akceptor atom befogja (csapdába ejti) (1 Ábra. (b) ábra). A valenciasávban egy lyuk keletkezik és az akceptor atom ionizálódik.

Vagy egy ionizált akceptor atom befogódhat egy lyuk által; eredményül azt kapjuk, hogy az elektron eltűnik az akceptor nívóról: rekombinálódik egy lyukkal. Az energia felszabadulhat kisugárzással (egy emittált foton formájában) vagy nem kisugárzással (fononok formájában). Az átmenet létrejöhet defekt állapotú csapdák közreműködésével is, amint ezt a 1. ábrán illusztráltuk.

Szabad töltéshordozó (sávon belüli) átmenetek

Egy abszorbeált foton az energiáját egy adott sávban lévő elektronnak is átadhatja, és ezáltal az elektront a sávon belül magasabbra juttathatja. A vezetési sávban egy elektron pl. abszorbeálhat egy fotont és ennek hatására a vezetési sávon belül egy magasabb energianívóra kerül

(l. Ábra (c.). Ezt követi egy másik (termikus) folyamat, ami által az elektron a vezetési sáv alja felé relaxál miközben leadja energiáját fononok formájában. A szabad töltéshordozók abszorpciójának erőssége arányos a töltéshordozók sűrűségével; a foton-energiával hatványtörvény szerint csökken.

Fonon átmenetek

A hosszúhullámú fotonok átadhatják energiájukat közvetlenül rácsrezgések gerjesztése, azaz

fononok keltése révén is.

Exciton átmenetek

Egy foton abszorpciója létrehozhat egy exciton formációt. Az exciton szerkezete nagyon hasonlít egy hidrogén atoméhoz, amelyben a proton szerepét egy lyuk játssza. A lyuk és az elektron közötti kötés Coulomb-kölcsönhatás. A jelenség fordítva is lejátszódhat. Egy foton emittálódhat az elektron és lyuk rekombinációjának eredményeképpen, miközben az exciton megsemmisül.5

A direkt sáv-sáv abszorpció és emisszió csak olyan frekvenciáknál következhet be, amelyekre a foton energia nagyobb, mint a tiltott sáv szélessége: hν>Eg. Ha a foton energia ennél kisebb, nem keletkezik exciton.

Exciton keletkezhet például, amikor egy félvezetőben egy foton nyelődik el. Ekkor a foton a vegyértéksávból a vezetési sávba gerjeszthet egy elektront, amely folyamat elektronlyukat hagy hátra. A gerjesztett elektront a pozitív töltésű elektronlyuk vonzza, a többi körülvevő

elektron pedig taszítja. Ezen hatások eredőjeként egy effektív vonzás alakul ki egy elektron és a lyuk között. Ekkor mondjuk, hogy az elektron és a lyuk között excitonkötés jött létre, amelynek következtében a kötött elektron kicsit kisebb energiaszintre kerülhet, mint egy nemkötő elektron a vezetési sávban. Az elektron számára, a lyuk körül potenciálgödör alakul ki, melyben az elektron hullámfüggvénye hidrogénszerű.

Így ezt az állapotot tekinthetjük, egy hidrogénhez hasonló, egzotikus atomnak. Azonban a környező elektronok árnyékoló hatása miatt (amely az anyag dielektromos állandójával függ össze) - illetve az elektron és a lyuk kicsi effektív tömege révén, az exciton esetén a kötési energia a hidrogénénél jóval kisebb, a kötött pálya mérete pedig nagyobb annál.

Az exciton bomlása történhet az elektron és a lyuk rekombinációjával (ekkor az elektron energiáját leadva visszagerjed a vegyértéksávba), illetve az excitonkötés felszakadásával, (amitől az elektron delokalizálódik és a vezetési sávba jut).

Az excitonok alaptípusai

Az exciton6 igen sokféle lehet attól függően, hogy milyenek a kristály jellemzői, amelyekben létrejön. Hatással van rá a közeg dielektromos állandója, és egyéb anyagi jellemzői, illetve

a kristályszerkezete.

Egyes esetekben a szilárdtest sávszerkezete több olyan energiaszintet is tartalmaz, mely az excitont alkotó elektron és lyuk számára számításba jöhet. Így egy adott anyagban többféle energiájú exciton is kialakulhat attól függően, hogy az azt alkotó részecskék melyik sávokban találhatók.

A közeg dielektrikus jellemzői alapján két jellemző határesete ismert: a Frenkel-exciton és a Wannier–Mott-exciton.

Frenkel-exciton

Kis dielektromos állandóval jellemezhető anyagokban az elektron és a lyuk között viszonylag nagy Coulomb-erő ébredhet, ugyanis a környező elektronok árnyékoló hatása kicsi. A Frenkel- exciton kötési energiája tehát viszonylag nagy. Ennek következtében a Frenkel-

excitonok mérete is kisebb, akár az elemi cella nagyságrendjébe is eshet. Molekuláris excitonok akár egy adott molekulán is lokalizálódhatnak, például ahogy azt fullerének esetén megfigyelték. A Frenkel-excitonok tipikus kötési energiája 0,1–1 eV körüli, és ezeket többnyire alkáli-halogenid kristályokban, illetve aromások molekularácsos kristályaiban figyelték meg.

Wannier–Mott-exciton

A félvezetők dielektromos állandója jellemzően nagy, így erősebb az elektronok árnyékoló hatása az excitont összetartó Coulomb-erőre. A Wannier–Mott-exciton kötési energiája így kisebb, mint a Frenkel-excitonoké, mérete pedig jóval nagyobb a rács karakterisztikus méreteinél (pl. a rácsállandójánál). Ezeket a hatásokat tovább erősíti a félvezetőkben gyakori kicsi elektron effektív tömeg. A Wannier–Mott-excitonok kötési energiája 0,01 eV körüli. Ilyen excitonok jellemzően bizonyos kis tiltott sávú és nagy dielektromos állandójú félvezetőkben figyelhetők meg.

Exciton - szén nanocsövek

Az excitonok egy speciális esete az egyfalú szén nanocsöveken figyelhető meg. Ezek az excitonok egyszerre rendelkeznek Wannier–Mott- illetve Frenkel-jellemzőkkel. A sajátos effektus a kvázi egydimenziós szerkezetben létrejövő kvantumbezárás miatti elektron-lyuk kölcsönhatás és felületi hatások következménye.

Ha egy rendszerben fellép a kvantumbezárás jelensége, az anyag egyes fizikai jellemzői nagymértékben módosulnak, a tömbi viselkedéstől eltérnek. Ez a nanotechnológia egyik fontos kiindulópontja, részben ez okozza, hogy a nanoszerkezetek különleges tulajdonságokkal bírnak.

Felületi exciton

Felületeken létrejöhetnek olyan, úgynevezett felületi állapotok, melyek esetén az elektronlyuk a szilárdtestben, a határfelülethez közel található, és kötésben van egy elektronnal, mely viszont a felületen kívül található. Az ilyen felületi excitonok csak a felület mentén mozoghatnak.

Atomi és molekuláris exciton

Az excitonok koncepcióját alkalmazhatjuk atomok, ionok vagy molekulák gerjesztési szintjeinek jellemzésére is. A gerjesztés vándorlását a kristályrácsban ekkor az exciton elmozdulása modellezi.

Amikor egy molekula olyan energiát nyel el, mely a molekulapályák közötti energiaátmenetnek felel meg, akkor a felgerjesztett elektron jellemzése lehetséges egy exciton állapottal.

Ekkor az elektron a legalacsonyabb betöltetlen molekulapályára (LUMO), az elektronlyuk pedig a legmagasabb betöltött molekulapályára (HOMO) kerül. Mivel ezek azonos molekuláris kötés állapotai, ekkor tekinthetjük ezt egy kötött elektron-lyuk állapotnak, azaz excitonnak. A molekuláris excitonok kötési energiája adott, az élettartamuk pedig jellemzően nanoszekundum körüli. A molekuláris exciton bomlása, azaz az elektron legerjedése foton-, vagy fonon kibocsátás formájában történő energialeadással jár.

A molekuláris excitonok egy jellegzetessége, hogy ha a kristályrácsban egymás mellett olyan molekulák találhatók, melyek gerjesztési állapotai energiában megfelelnek egymásnak, akkor az exciton átugorhat az egyik molekuláról a másikra, azaz a molekulagerjesztés elmozdul, ami felfogható az exciton kristálybeli vándorlásaként is. Ezt nevezzük Förster-féle rezonáns energiaátadásnak.

HOMO – LUMO energia szintek

A félvezető fizikában korábban megismert energiasávok (melyek az elektronok energia szintjét jelentették), molekuláris szinten nehezen értelmezhetők. Ezért a szerves molekulákat tartalmazó anyagok esetében más fogalmakat kell használnunk.

HOMO A legmagasabb, elfoglalt molekuláris keringési pálya energia szintje.

LUMO A legalacsonyabb, nem-elfoglalt molekuláris keringési pálya energia szintje

HOMO–LUMO távolság

A HOMO és LUMO közötti energiakülönbséget HOMO–LUMO távolságnak7 is nevezik. A határmolekulapálya-elméletben a HOMO-t és LUMO-t néha határ-molekulapályának8 (FMO) is szokták nevezni. E két határpálya közötti energiakülönbség felhasználható arra, hogy megjósolják belőle az átmeneti fémek komplexeinek kötéserősségét és stabilitását, valamint oldatbeli színüket.

HOMO - Félvezetők

A szerves félvezetőkben a HOMO energiaszint nagyjából megfeleltethető annak, mint a szervetlen félvezetők és kvantumpontok esetén a vegyértéksáv teteje. Hasonló analógia tehető a LUMO szint és a vezetési sáv alja között is. 

SOMO

A SOMO az egyszeresen betöltött molekulapálya rövidítése, ilyen például a gyökökben a félig betöltött HOMO. A rövidítés jelentheti a félig betöltött molekulapályát (semi occupied molecular orbital) is.

Hatásfokok

A napelem hatásfokot (solar efficiency) kissé másképpen értelmezzük, ezért érdemes áttekinteni a laborartóriumban elért (csúcs) hatásfokokat (1993-2021).

PERT Efficiency: 19.5–22% (első), 17–19% (rear) PERL Efficiency: 19.8% (első)

PERC Efficiency: 19.4–21.2% (első), 16.7–18.1% (hátsó)

IBC Efficiency: 23.2%

HIT Efficiency: 24.7%

Phonon - Definition

A fonon egy hanghullám kvantum, mely egy szilárdtest vagy folyadék kollektív rezgése. Az akusztikus vagy rezgési energia kvantumja. A fononnak egszerre van hullámszerű illetve részecske-szerű viselkedése. Fononknak nagy szerepe van a szilárdtest anyagok fizikai tulajdonságaiban (hővezetés, elektromos vezetés). A fonon kvázi részecskének minősül, mert csak szilárdtestekben (folyadékokban) létezik, vákuumban nem tud haladni.

A napelemek fejlődésének generációs áttekintése

Sokféleképpen lehet (lehetne) csoportosítani a napelem technológiákat. A kutatók többsége (kisebb eltérésekkel) az alábbi csoportosítást tekinti praktikusnak. A fejlesztés (fejlődés) hajtó motorjai: a hatásfok növelése és/vagy az előállítási ár csökkentése. Egyelőre a hatékonyabb, de drágább kombináció a gyakoribb, de a fejlesztések végeredménye jelenleg nem belátható.

I. Generáció

• monokristályos Si (m_Si, c_Si)
• polikristályos Si (p_Si)
• PERL
• PERC (passzív emitter, hátsó kivezetés)
• Nagy hatásfokú többátmenetes napelemek (multi junction, a periódusos rendszer III-V csoportjába tartozó anyagokkal, űrkutatás, CSP)

II. Generáció

• Szelet alapú, szilárdtest napelem cellák, vékonyabb Si réteggel (200 mikron alatti vastagságok)
• Vékonyréteg napelemek (Thin film)
  • Amorf Szilícium (a-Si:H),
  • CdTe,
  • CIS-CIGS (réz indium diselenid, réz-indium- gallium)
• Mikromorf cellák (HJT, HIT, BSF, PERL, PERC, IBC, Al-IBC)
• CZTS (Cu2ZnSn (S, Se)
• ORGANIC (Organic molecular / intrinsic vezető alapú, polimer napelemek
• DSS, festék cellák (Dye sensitized photochemical materials, Gratzel cell)
• DSSC (Dye sensitized solar cell)

III. Generáció

• QD (Quantum Dot, MEG napelemek)
• QD Intermediate band solar cell (QD IBSC)
• Perovskite alapú rendszerek
• CM (Carrier multiplication)
• SF (Singlet Fission) elven működő napelemek
• Hot carrier
• Nanokristályok alkalmazása
• Grafén, fullerén alkalmazások

IV. Generáció

• Luminescens napelem
• Élő anyag - élettelen hybrid konstrukciók

A továbbiakban egy-egy illusztratív ábrával, jelképesen mutatunk be variánsokat anélkül, hogy részletesen ismertetnénk. Egy-két technológiai típust, azonban részletesen is bemutatunk, mert a jövő szempontjából, a kutatók többsége szerint, jelentősek.

Példák az egyes generációk, és előállítási technológiák bemutatására

„I. Generáció” a hagyományos napelem

Ez a konstrukció igen jól ismert a piacon és a kutatásokban is.

„II. generációs napelemek”

A szelet alapú napelem cellák vastagsága egyre csökken, olcsóbb alapanyagokkal olcsóbb gyártás is. A korábban (1998) 3-400 „mikronos” cellák a 2010-es évek végére 180-250 mikronra csökkentek. A szeletek „nagyobbodtak” is, felületük 100 cm2-ről 240 cm2-re változott 1990 és 2006 között.

A fejlesztések egyik vívmánya, egy 98 mikron vastag cella, 22,8% hatásfokkal (HIT vagy HJT, technológia, SANYO). Az alkalmazás-technika, a végfelhasználó, azonban ennél hatékonyabb és egyben olcsóbb napelemet kívánt. A fejlesztések egyik fő irányvonala, az emitter veszteségek csökkentése volt.

Vékonyréteg amorf szilícium

A második generációs napelemek egyik korai előfutára a vékonyréteg amorf szilícium (TF a_Si) napelem. A vékonyréteg napelemek lényege, hogy egy olcsó hordozón (üveg), füstszerűen vékony (1-2 mikron vastagságú) aktív réteget alakítanak ki, gőzök, gázok lecsapatása segítségével (CVD13, PECVD, eljárás). A vékonyréteg napelemek 1, 2 vagy 3 rétegátmenettel14 (junction) készülhetnek, így a spektrum többféle sávjára (piros, kék, zöld) is érzékenyek. Az összeköttetések nem forrasztással készülnek, és számuk is minimális. Az a_Si napelem hátránya, hogy ugyanakkora teljesítmény eléréséhez nagyobb felület szükséges, de szórt fényben is hatásosak. Előnyük, hogy ugyanakkora telepített teljesítmény esetében, több energiát szolgáltatnak, mint a kristályos napelemek.

PASHA, EWT, MWT, PERC/PERL, POLO, IBC, HIT szerkezetek

A nagyobb hatékonyságú napelemek nemsokára nagyobb tömegben is piacra kerülnek a következő 2024-2030 évek során. A főbb irányvonalak:

PERC, PERL, MWT, EWT, PASHA (kétoldalas cella hátoldali passzivált diffúzióval), IBC, SHJ (HIT) cellák.

A 14. ábra egy hátsó passziválással ellátott cella (BSF) működését mutatja. A hátsó passziválás kétféle módon növeli a hatékonyságot. Első előny, az, hogy a hátsó réteg visszaveri azt a fényt mely keresztülhatolt a cellán, de nem generált excitont. A visszavert fény újra megteszi az utat a cellán belül és valószínűleg excitont gerjeszt. Második előny, hogy a réteg passziválja a kristályba esetlegesen bejutó szennyeződéseket, melyek a hátsó felület irányából (és miatt) érkeznek. Íly módon azok az elektronok, melyek a cella hátsó oldalán keletkeztek, kevéssé esnek csapdába és vesznek el. Sokkal nagyobb a valószínűsége annak, hogy a bázis és az emitter közötti térben eljutnak az első felületre, és növelik a kimeneti feszültséget. Mivel a kék fény elsősorban a belépő oldalon generál több elektront, míg a vörös fény a cella hátoldala felé esően generál több elektront, sőt az is megesik, hogy „elektron hozam” nélkül áthalad, a hátoldali passziváció megnöveli a vörös fényre való érzékenységet az 1000 – 1800 nm tartományban. A cella árama és feszültsége növekszik.

A PERL konstrukció valójában a PERC szerkezet egy módosítása, ahol a hátsó lokális kontaktusokat egy további p+ bór diffúzióval passziválták.

a, Ábra PERC/PERL napelem cella

b, Ábra PASHA cella

c, Ábra IBC cella

d, Ábra SHJ (HIT15) cella

A HIT napelem konstrukciója

TOPCon - Tunnel Oxide Passivated Contact napelem cella technológia

A TOPCON technológia a PERC típusú napelemek egyenes továbbgondolása. A felső réteget ellátták egy továbbbi ultra vékony szilicioum dioxid réteggel, és egy foszforral szennyezett polikristályos réteggel. Ez némi javulást hozott a hatékonyságban, de nem jelentőset. A TOPCon technológia hatásfokának elméleti maximuma azonban 23,7%, ezért egy 22%-os „topcon” thechnológia tényleg „top”-nak számít.

Többrétegű napelem

Hogy a többrétegű napelemek bonyolultságát (űrtechnika) jellemezzük, példaként bemutatunk két konstrukciót.

BHJ Bulk18 Heterojunction solar cell

Az eszköz működése és felépítése Basic

Az a mechanizmus, hogy fényből, direkt módon, egylépcsős átalakítással elektronokat (áramot) nyerjünk ki, csak olyan anyagok esetében lehetségen melyeknek félvezető típusú energiasávjuk van, és amely esetben a tiltott sávszélesség kisebb, mint a befogott foton energiája. A szerkezet biztosítja, hogy az elektron-lyuk pár a megfelelő megfelelő elektródákhoz érkezzen, és ott ott befogódik. A BJH eszközben az abszorbeáló réteg egy ultra vékony aktív réteg, mely egy elektronnegatív molekulákkal rendelkező, konjugált komplex vegyülethez tartozik, íly módon egy nanoszerketű kaput formálva. Egy ilyen tipikus szekezetet mutat a 23. Ábra a). A HTL réteg „lyukakat tartalmazó réteg”, egy PEDOT réteg, polistirén szulfonát (poly(3,4- ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate) mely elektrontól megfosztott és pozitív töltéseket tartalmaz.

OPV Organic (szerves) napelem cellák19

Az organikus (OPV) napelemek a szén valamilyen allotrop módosulatának vegyületét használják.

Az organikus napelem cellák szerkezete hasonlatos a „megszokott” napelem cella szerkezethez, azzal a különbséggel, hogy az aktív réteget egy vezetőképes (Intrinsically Conductive Polymer20) polimer rétegre cseréljük fel. Ilyen rétegek az EDOT, vagy a PEDOT. A szerves molekulák, gyakran sokkal komplexebbek, mint a szervetlen molekulák, és megvan az az előnyük is, hogy gyakran önszervező képességekkel is rendelkeznek.

A szén allotrop módosulatainak (grafén, fullerén) és az egyéb nano-anyagok (SWCNT, DWCNT) felhasználása révén, olyan új, szinte végtelen területek nyíltak meg a kutatásokban (és alkalmazott kutatásban) amire még nem volt példa.

És itt egy olyan új területre érkeztünk, ahol a régi fogalmakkal már alig tudjuk megmagyarázni a jelenségeket. Gyakran át kell térnünk nanotechnológia, kvantumtechnológia területére.

Az OPV szerkezetek sokféle, különféle területen megtalálható, fajsúlyban könnyű anyagok. Olcsók, flexibilisek (hajlékonyak) és könnyen kezelhető energia átalakítási lehetőségeket jelentenek. Az energiaátalakítási folyamat azon alapul, hogy egy donor (D, elektron leadó) és egy acceptor (A, elektron felvevő) anyag egy speciális hetero átmenetet alkot. A donor és akkceptor sokféle anyagpárosításban képzelhető el.

DSSC Napelem cellák (festékkel érzékenyített)

http://depts.washington.edu/cmditr/modules/opv/major_processes_in_organic_solar_cells.html

A festékkel érzékenyítetett napelem cellák (DSSC) az 1960-as években kerültek a kutatók érdeklődési körébe, mint a p-n átmenetű, napelem cellák alternatív lehetőségei. A megvilágított festék molekulák egy elektro-kémiai cellában elektronokat eredményeztek.

A Berkeley egyetemen (University of California. 1972) spenótból kivont klorofillal kisérleteztek. Először klorofillal-érzékenyített zinc oxid (ZnO) elektródát használtak. A hatásfok alacsony volt (1%), de az effektus létezett. A későbbiekben (ekkor már több kutató nanoporózus TiO2 eredményeket értek el (19991, 7%). Ezeket a festék érzékenyítette napelem cellák "Grätzel" cella néven ismertek. 

DSSC átlátszó és vezető hordozóval

A DSSC cellákat rendkívül átlátszó (80% feletti átlátszóság), és elektromosan jól vezető (18 Ω/cm2 négyzetes ellenállás) hordozók közé kell zárni. Ilyen anyagok fluorinnal doppolt óndioxid (FTO, SnO2) vagy indium doppolt óndioxid (ITO, In2O3: Sn)

A DSSC cellákban alkalmazott festék határozza meg a beeső fény elnyelési hatékonyságát ezért több feltételnek is meg kell felelnie.

1. A festéknek luminescensnek kell lennie.
2. A festék abszorpciós spektruma fedje le a látható ultraibolya (UV –vis) és közeli infravörös (NIR) spektrumokat.
3. A legmagasabb elfoglalt molekuláris keringési pálya (HOMO) legyen távol a TiO2 vezetési sávjától. A legalacsonyabb molekuláris keringési pálya (LUMO), legyen közel a TiO2 vezetési sávjához.
4. HOMO szint legyen kissebb mint a redox elektrolité.
5. A festék külső rétege legyen hydrofób27, ezzel biztosítva a hosszútávú stabilitást (minimalizálja az elektrolit és az anód közötti érintkezést). Ellenkező esetben a víz indukálta torzulás alakul ki a festékben és ez a stabilitást csökkenti.
6. A festék összetömörülését meg kell akadályozni, ezt további kémiai reagensek