Most már értem a napenergiát XXVII. - 1954 – 2024 Történelemi és szakmai helyzetkép 2024-ben

Bevezetés

70 év telt el azóta, mikor is 1954-ben bejelentették a szilícium alapú napelem feltalálását Az egyik neves amerikai kutató laboratórium három tudósa, ekkor már több éves munkával kutatott egy új, nagy jelentőségű, szilárdtest energia átalakító után, és munkájukat végre siker koronázta. Ez az év a napelem iparban azonban többszörösen is nevezetes dátum. Cikkünkben feltárjuk, hogy milyen egyéb fontos események történtek akkortájban és miként járultak hozzá magyar tudósok az amerikai napelem ipar beindításához. Végezetül röviden, tőszavakban summázzuk a technikai fejlődés lényegesebb állomásait. 

Az első érdekes jelenségek

Az első használható napelem megszületéséig hosszú út vezetett. Itt most nem térhetünk ki minden részletre, csupán a főbb állomásokat emeljük ki. Haladjunk időrendi sorrendben.

1839  - Edmund Becquerel

Edmund Becquerel[1] francia fizikus fedezte fel a fotoelektromos jelenséget (fotovoltaikus)  egy elektrolit kísérletében, amikor két fémet helyezett elektrolit oldatba és azt tapasztalta, hogy az áram növekedett, ha fénnyel világította meg. A publikáció pontos ideje ismeretlen, (E. Bacquerel, 'On electron effects under the influence of solar radiation.' "Comptes Rendues" 9, 561.)

Becquerel első kísérletének elrendezése

Az ezt követő időkben sok neves fizikus és kutató foglalkozott az egyre érdekesebbé váló témával, mert felismerték jelentőségét és az energetikában rejlő előnyeit. (C. Fritts, Siemens, Edison, Moser, Weston, …,). A tudósok mindannyian, valamilyen  - akkor ismeretes -  fényérzékeny anyaggal (szelén, platina, réz, rézoxid, ezüst, …,) kísérleteztek, több -kevesebb sikerrel. 

1883 Charles Fritts, New York

Charles Fritts, amerikai feltaláló bemutatta az első, szelén hordozón készített napelem cellát. Egyben ő hozta létre az első „igazi működő”,  napenergiát hasznosító „napelem rendszert” is. (Amerikában, New Yorkban, 1883-ban). Igaz, ez ugyan nem szilícium alapú volt, de a gyakorlatban működött, mindenkinek nyílvánvalóvá tette, hogy a napból komoly energia nyerhető ki. A fényérzékeny réz-szelén rendszert, vékony, áttetsző, füstszerű aranyréteggel borította. Fritts meg volt elégedve a találmányával. Azt mondta:

• A napelemem folyamatosan termeli az áramot, és eléggé sokat!
• Sőt nem csak direkt napsütésben, de szórt fényben – sőt akár gyertyafényben - is működik!
• Elképzelésem szerint, egyszer ez majd helyettesítheti a szénből származó energiát !

1905 az első, valóban nevezetes dátum

Albert Einstein megírja és közzéteszi híres dolgozatát a fényelektromos jelenségről. Először jelenti ki hivatalosan, hogy ez az energia, a NAP-ból jön, „kvantált” elemi részecskék formájában. Ma ezeket a kvantált részecskéket fotonoknak nevezzük. 

1922 a NÓBEL Díj 

1921 (1922, valamikor… a pontos dátum nem ismeretes)  Albert Einstein Nóbel díjat kap, a fotoelektromos  jelenség elméletének megalkotásáért. (jegyezzük meg mindezt, több éves, sokszereplős, óriási ellenszél és gáncsoskodás előzte meg az 5 fős Nóbel díj bizottságban!)

1940 Bell kutató laboratórium 

A Bell kutató laboratórium munkatársa Shoemaker Ohl, véletlenül felfedezte, hogy egy törött szilicium szeletben, fény hatására jelentős áram indul meg. A törés és a törött felületek újra egyesítése, akaratlanul egy „p-n” átmenetet alakított ki, mely -- mint később egyértelműen kiderült - az egész jelenség alapja.

Közben emlékezzünk meg egy hölgyről, Telkes Máriáról (1900-1995) is, aki akkor a massachusetti MIT egyetemen dolgozott napelemes témában. „Személyes meggyőződésem, hogy a napelem cella lesz a leghatékonyabb energia átalakító, ha a kutatási és fejlesztési munkáink sikeresek lesznek” – mondta a „napkirálynő” ahogy akkor titulálták személyiségét.

1954 Április 25

1954 április 25.-én A Bell laboratórium hivatalosan is bejelenti [2],[3] az első szilícium alapú napelem cella létrejöttét, melyet röviddel ezután bemutattak a Nemzeti Akadémia ülésén is. A Bell Laboratórium 3 lelkes kutatója: Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin, and Calvin S. Fuller voltak a boldog feltalálók. 

A frissen megszületett napelem hatásfoka 6%-volt. Ennek ellenére a New York Times akkor nagyvonalúan és merészen azt jósolta: a napelem cella lehetővé teszi a napenergia „korlátlan” kihasználását. Az első napelem ára  1785 USD/W volt. 

1954 az ISES

1954-ben alakult meg az ISES (International Solar Energy Society, azaz a Nemzetközi Napenergia Társaság). A társaság szervezeti felépítésének fontos részei a nemzeti tagozatok. Igy nálunk Magyarországon is megalakult a nemzeti tagozat melyet Magyar Napenergia Társaságnak hívnak MNT. (Főtitkára és vezetője sokáig dr. Imre László a BME professzora  volt.)

Solarex,  Lindmayer és Várady

1973-ban dr. Josef Lindmayer (1929-1995) és Péter F. Várady (mindketten magyar származásúak) megalapítják Amerika egyik első napelem gyárát a SOLAREX-et. Az 1970-es években a Solarex jelentős szerződéseket kötött a Jet Propulsion Laboratories (1936, Pasadena, CA, JPL, jelenleg a NASA tulajdona) céggel, melyet akkor, az amerikai energiaügyi minisztérium (DOE) finanszírozott. Miután kissé belemélyedtünk az akkori napelem ipar történetébe határozottan kijelenthetjük, hogy a magyarok jelentősen hozzá járultak az amerikai napelem ipar kezdeti sikereihez és fejlődéséhez. 

1983-ban a SOLAREX már a világ legnagyobb napelemes vállalata volt. (később az AMOCO megvette)

Ugyan nem kerek évforduló, de a korábban történtek egyenes következménye, melyre ugyancsak érdemes emlékeznünk. Ez az első magyar napelem gyár, a Dunasolar Rt. (Amerikai magyar vegyes részvénytársaság, 1997-2003) megalakulása.

Megalakulása idején a világ termelésben jelentős volument képviselt (5+5 MWp 2j-a_Si technológiával). Az akkori összes napelem termelés 1%-át, a vékonyréteg világtermelés 10%-át képviselte. Európa legnagyobb ilyen gyára volt. (létrejöttében jelentős szerepet játszott dr. Kiss Zoltán fizikus, feltaláló (EPV), akivel Claudia Patricolo, újságírónő készített életmű riportot (1917-ben), és akit „a nagy magyar solar álmodozó” névvel illetett).

dr. Kiss Zoltán egyik érdeme a PVMTI fogalom (és mozgalom) megalkotása, elindítása volt (ekkor 1997-et írunk!).

A PVMTI jelentése Photovoltaic Market Transition Initiative, azaz a napelemes piac átalakításának kezdeményezése. A mozgalom lényege, hogy kapcsolt társ beruházások (gyár alapítás és belső piac élénkítése révén) segítségével felgyorsítsa a napelemek elterjedését. Tényleg álmodó volt, mert mindaz, amit elképzelt az úgy tűnik, hogy most (2024-2030) fog megvalósulni.

És lám 54 évvel később, Az IRENA nevű nemzetközi szervezet, (egy legújabb kiadványában: IRENA (2020), Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050 (Edition: 2020), International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.  ISBN 978-92-9260-238-3), érdekes módon szintén az ENERGIA Piac Átalakulásáról kezd fantáziálni.

Sokan – méltán - meglepőnek tartják, hogy egy ilyen kezdetben igen jó pozícióban lévő gyárnak ilyen rövid pályafutása legyen. Nos ez valóban így van.

Sajnos a Dunasolar körül nem tudott megfelelő, támogató jellegű  gazdasági környezet, gazdaság-politika kialakulni a kellő időben. (A szerző, a DS egyik alapítója volt).

És a végére maradt egy kissé kesernyés ízű érdekesség:

Technológia-történelemi áttekintés címszavakban

1. az első napelem cella hatásfoka 6% volt.
2. a mai szelet alapú kristályos (c_Si) napelemek hatásfoka 24% körüli, a vékonyréteg napelemeké 12-14%
3. az első napelem ára 1785 USD/W
4. ma a kereskedelmi napelemek piaci ára 0,12-014 USD/W
5. 1997-ben egy napelem legnagyobb teljesítménye 100-130 W/napelem volt
6. ma egy tábla napelem teljesítménye 500-600 Wp
7. kezdetben csak kristályos napelemek voltak, később megjelentek a vékonyréteg és egyéb napelemek is
8. ma már a 4-ik 5-ik generációs napelemekről beszélünk, ezek már nemcsak szilárdtest alapon készülnek (OPV, DYE, Perovszkit, HJT, multilayer)
9. 1970-1980-ban egy 5-10 MW kapacitású napelem gyár nagynak számított
10. ma már azok a gyárak számítanak csak a piacon melyek gyártói kapacitása 10-50 GW között van
11. átléptük a bűvös Shockley-Quessier limitet is (2019-2020), közelítünk a 40%  hatásfok felé a kommersz napelemek tekintetében
12. az alkalmazások területe lényegesen bővült (autóipar, VIPV, eszközintegrált EIPV napelemek, épületenergetika, építészet BIPV, űripar, agrivoltaic, sőt megjelentek a beltéri napelemek is)
13. 1883-ban épült az első napelem „erőmű”, mely néhányszor 10 W teljesítménnyel működött
14. 2024-ben már több 100 MW-os sőt 1-2 GW teljesítményű napelem parkok létesülnek
15. a napelem ipar – úgy tűnik beválik a jóslat – tényleg nagyobb lesz, mint az autóipar

[1] Egy másik Becquerel nevéhez kapcsolható jelenség: A fényképészeti Becquerel-jelenség lényege, hogy a fényérzékeny réteg színérzékenységét kiterjeszthetjük úgy, hogy előzőleg rövid hullámhosszú fénnyel világítjuk meg. A diffúz kék fénnyel elővilágított ezüst-klorid színérzékenysége a zöldig és a sárgáig, a röntgensugárzással elővilágított ezüst-bromidé a vörösig terjed ki. 
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_solar_cells#cite_note-4,
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_solar_cells#cite_note-5
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/NASA
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Explorer_6