Most már értem a napenergiát XXI. - Negyedik & ötödik generáció

Mióta a tudósok rájöttek arra, hogy a korábban megismert 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 is jelenti, hogy több átmenetes (multijunction vagy más konstrukciójú) napelem cellák esetében ez a határ lényegesen meghaladható, és akár 80% feletti értékre is kitolható[1].

Napelem féleségek, a negyedik és ötödik generáció, G.4, G.5

A cikk folytatását egy érdekes gondolattal kezdjük. Mindenütt használjuk, nap-mint nap, de nem tudjuk mi is az! (?) Ez az energia!

Előző cikkeinkben eleddig sokat beszéltünk energiáról, energiaszintekről, pedig elsőként az energia meghatározásával kellett volna kezdenünk. De cseppnyi szégyenkezni valónk sincsen. Az energia fogalma homályos, ámbár minden nap használjuk, az egész életünk, a fizika, a kémia, a biológia nagy része, stb., erről szól, de még kevéssé értjük.

Az Arcanum meghatározása szerint:

„energia – ‘tetterő, hatóerő’; ‘‹a fizikában› munkavégző képesség’: helyzeti, vegyi, nukleáris energia. – energikus: ‘tetterős, erélyes’. – energetika: ‘az energia formáival és felhasználásával foglalkozó tudomány’. – energetikus: ‘energetikával foglalkozó, az energiagazdálkodást irányító szakember’.

Nemzetközi szócsalád a latin energia alapján, amely a görög energeia (‘működés, tevékenység’) átvétele, ez pedig az energosz (‘dolgos’) származéka; elemei en- (‘-ban’) és ergon (‘munka’). Lásd még erg, ergonómia, orgánum.”

„A Természet makacsul őrzi titkait. Annyit tudhatunk csak: a Világegyetem béli bármilyen történés nem más, mint energia átalakulás. Melynek végső állomása a hő. ….,

Az energia a Világmindenség mozgatója mely a Világegyetem teljes térfogatának minden egyes pontjában jelen van. …,

Az energia máig megfoghatatlan. Tudományunk minden igyekezete ellenére hivatalosan definiálatlan fogalom”. (Livo László energetikus)

A negyedik generációt jelenleg két fő csoportba oszthatjuk.

• Luminescens napelemek
• Élő anyag - élettelen hybrid konstrukciók

Jellemzők  IV. Generáció

• Már nem szilícium az elsődleges hordozó
• Nanotechnikai, atomi méretek (Angström)
• Élő és élettelen anyagok „szimbiotikus” kezelése 
• Szerves, komplex vegyületek
• Biokémiai technológiák (molecular beam epitaxia, molekula sugár kontakt rétegnövesztés)
• Élő és élettelen összekapcsolása
• Önszervező, önjavító képesség
• A végső szerkezeti forma nem ismert….
• Tanuljunk a természettől amit és amennyit lehet

Mi a lumineszcencia?

Az energia kölcsönhatások jelentős része fény-anyag, vagy fény-fény kölcsönhatást jelent. Ezek közül néhányat érdemes alaposabban is megvizsgálni.

A lumineszcencia leegyszerűsített lényege, hogy egy adott, erre alkalmas anyag elektron szerkezetét valamilyen hatással (külső, kémiai, enzim hatású „bio” módon) gerjesztjük, mely ezután a kapott energiát egy, vagy több lépésben, többféle módon, biológiai szemmel (emberi szem) érzékelhető fény (fényjelenség) formában lesugározza. 

Egy atomi vagy molekuláris rendszer többféle folyamat – elektromosan töltött részecskékkel való ütközés, kémiai reakció, előzetes fénybesugárzás, stb. – következtében az energiaállapotát tekintve, az alapállapothoz képest magasabb energiájú gerjesztett állapotba kerülhet.

A lumineszcenciának[2] ezért igen sokféle változatát ismerjük. Ezeket most mélységeiben, részletesen nem tudjuk áttekinteni, de egy két példát ismertetünk.

A fluoreszkálás és a lumineszkálás eléggé hasonló fogalmak[3]. Az alapvető különbségeket talán a Jablonski diagram[4],[5] segítségével tudjuk a legjobban megérteni.  

Lumineszcenciáról beszélünk, ha a két energiaszint közötti energiakülönbséget a rendszer a gerjesztést követően 0,1 ns-nál (1 ns =10-9 sec hosszabb idő múlva foton formájában sugározza ki. Ennél az időnél rövidebb időn belül fényemisszióra vezető folyamatokat összefoglaló néven szórásnak nevezik. 
 

Aki részletesebben kívánja megismerni, annak a Jablonski diagramot[6] ajánljuk.

A Jablonski ábra jól mutatja a flureszcencia éa foszforeszcencia mechanizmusait. A jelenség során az anyag gerjesztett triplet (T1) állapotba kerül és az elektron perdülete[7],[8] (spinje) megfordul. (6. Ábra) 
 

Lumineszcencián belül megkülönböztethetjük a fluoreszcenciát és a foszforeszcenciát.

A lumineszkálás (luminescence) típusai

A gerjesztéstől függően a lumineszcencia következő típusai ismertek[9]:

• Biolumineszcencia – élő organizmusoktól eredő fényjelenség
• Kemolumineszcencia – kémiai reakciókból eredő fényjelenség
  • Elektrokémiai lumineszcencia – elektrokémiai reakciókból eredő fényjelenség
• Kristallolumineszcencia – kristályosodáskor keletkező fényjelenség
• Elektrolumineszcencia – áram által okozott fényjelenség (LED dióda)
  • Katódlumineszcencia – elektronsugár által létrehozott lumineszkálás (Cathodoluminescence, vákuumozott katódsugár csőben gerjesztett elektronokkal bombázzák a foszforszkáló képernyőt, CRT)
• Mechanolumineszcencia – mechanikai behatás által keletkező lumineszkálás (elasztikus deformáció, törés)
  • Fraktolumineszcencia – kristályok kötésének eltörésekor
  • Piezolumineszcencia – bizonyos szilárd anyagok nyomásakor keletkező lumineszkálás[4]
  • Tribolumineszcencia – anyagok karcolása, dörzsölése, eltörése során keletkező fényjelenség.
  • Szonolumineszcencia – hang hatására folyadékban keletkező fényjelenség
• Fotolumineszcencia – fény abszorbeálása után keletkező fénykibocsátás
  • Fluoreszkálás – abszorpció után azonnali fénykibocsátás
  • Foszforeszkálás – abszorpció után késleltetett fénykibocsátás
• Radiolumineszcencia – ionizálás hatására keletkező fénykibocsátás
• Termolumineszcencia – hő hatására keletkező fény az abszorbeált fényből (hevített anyag, melyet előzetesen UV rays, X-rays, γ-rays, β-rays sugárral etc., kezeltek). 
• Lyoluminescence - fénykibocsátás, erősen besugárzott anyagtól vizes oldatban (pl. kálium szulfát  K2SO4, vizes oldatban)
• Candoluminescence, - fénykibocsátás bizonyos anyagokban, emelt hőmérséklet esetében. (FONTOS megjegyezni, hogy ez nem azonos a „fekete test” blackbody, emisszióval a kérdéses hőmérsékleten! Ritkaföldfém oxidok, átmeneti fémek , kerámiák, zink-oxid, cerium(IV) oxid, thorium dioxid)
• Cryoluminescence - fénykibocsátás abban az esetben amikor az anyagot lehűtjük[6].   (egy példa erre a wulfenit (wulfenite, ólom molibdén ásvány  PbMoO4.
• Cserenkov-sugárzás – gyorsuló töltések elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, melynek van látható fény része is (atomreaktor) 
   

Fluoreszcencia:

A fluoreszcencia folyamatában a kibocsátott fény, egy egyszerű, úgynevezett „singlet gerjesztett” állapot eredménye (lásd 7. Ábra b). A fénykibocsátás folyamatos, és a gerjesztő forrás eltávolításával azonnal megszűnik. Igy működnek a fluoreszcens lámpák (CFL).

Foszforeszcencia[10]:

A kibocsátott fény ez esetben egy „triplet gerjesztett” állapotú anyagból származik (lásd 8. Ábra c) a gerjesztett állapotú anyag, kis késleltetéssel sugároz foszforencia formájában. A fénykibocsátás, a gerjesztő fényforrás eltávolítása után, akár egy –két napig is folytatódhat. (Jellemző anyagok: Zink szulfid, stroncium aluminát)

A 9.  Ábra   szimbolikusan, egy életszerű jelenettel mutatja be azt amint a gerjesztett anyag visszatér a nyugalmi állapotba. A gerjesztett töltéseket az emberek, a gerjesztett szinteket a lépcsők jelentik.

Luminescens solar koncentrátorok

A lumineszcens solar koncentrátorok (LSC) lényege, hogy a napelemre (PV) eső fényt a különleges anyagban fellépő lumineszcencia jelenség felerősíti, jelentősen tovább fokozza.

A 9. Ábra (A, D, F) három tipikus fluoreszcens szerkezetet mutat sematikusan. A többi ide tartozó ábra a működés megértését segíti.

Az „A” ábra, egy sematikus lumineszcens napelem rendszer.  
A fényvezető első (front) felület (ALSC) és a kilépő felületeit (a lap élei, Aedge) piros és kék szaggatott vonalakkal ábrázolták.

A „B” ábra, abszorpciós és emissziós spektrumokat mutat 
A „B” ábra, a luminofor anyag egy tipikus abszorpciós („A” görbe, narancsszínnel) és emissziós (PL, szaggatott vonal piros szín)) EQE spektrumát (EQE= külső kvantum hatásfok, folyamatos és szaggatott fekete) mutatja. (Az él mentén kialakított mikro szegmentált napelem, EQEPV) Az AM 1,5G spektrumot a háttérben a szürke vonal mutatja.

A „C” ábra  
A „C” ábra, az LSC-PV napelem cella EQE spektrumát mutatja, mely az abszorpció, az emisszió, és a „B” ábra EQE spektrumából ered. 

A „D” ábra 
A „D” ábra olyan állapotot mutat ahol a fényfogadó, luminescens felületbe mikro szegmentált napelem (PV) részek (mesh=háló) vannak helyezve. 

Hangsúlyozzuk, hogy ezt az egész rendszert egyetlen integrált napelem rendszerként kell felfognunk, és ekként a „hagyományos napelem” részek felületét egyedül, nem használhatjuk az I-V görbék meghatározásához!

Az „E” ábra  
Az „E” ábra, az előző D ábra kombinált napelem szerkezetének (EQEMesh+ LSC) megfelelő EQE spektrum.

Az „F” ábra    
Az „F” ábra sematikus módon mutatja be az alsó (bottom PV) és oldalsó (edge PV) napelem rétegekben lejátszódó fotolumineszcens (PL), továbbá konverziós folyamatokat, mint például kvantum eltolódás (QS), a kvantum levágás (QC) és kvantum visszaszóródás (quantum up conversion, QUC)

 A „G” ábra 
A „G” ábra, DS, QC, and UC PL konverziós folyamatokhoz tartozó,  tipikus abszorpciós és emissziós görbéket mutat be. (Ebben az esetben az abszorpciós görbéket korrigálták egy m tényezővel. (Az emittált és beeső fotonok arányszámával, azaz mDS  = 1, mQC  = 2, és mUC  = 0,5).

A „H” ábra 
A „H” ábra a napelem (PV) spektrumát mutatja be, (fekete vonal) a DS, QC, és UC spektrumokkal kiegészítve. A többlet EQE energia mennyiséget árnyékolt felülettel emeltük ki.

Az „I” ábra 
Az „I” ábra az A,D,F ábráknak megfelelő napelem szerkezetek áram-feszültség (I-V) görbéjét mutatják annak megfelelően mint, ahogy korábban használtuk ezen paramétereket, a napelem paraméterek számítására. (a jelölésekben például A(felület)=AActive, vagy ALSC). Figyeljük meg, hogy az I. ábra alsó része külön kiemeli a hagyományos napelem (ISC-PV) és mikrostruktúrált szerkezettel kiegészített (Mesh LSC) közötti különbséget! 

Az I-V görbékből leszármaztatott Jsc rövidzárási áram sűrűségek akár kritikusan nézve is, megegyeznek a 9. Ábra C, E, H görbék EQE fotoáram sűrűség függvény integráljaival, mely feltétel az összes napelem típusú eszköz esetében elhagyhatatlan!

Az ábra jelölései:

1          a felületről visszaverődött fény 
2          az anyag által átbocsátott (nem hasznosult fény) 
3          befogott fény kvantum (Ac(l)) 
4          Pdye – a festék által befogott foton 
4a        egy emittált foton kilép a rendszerből 
4b        egy emittált foton visszaverődik, és a kollektorba kerül (hasznosul) 
4c        egy emittált foton hasznosul a fénybefogó anyagban 
4d        a foton elnyelődik a festékben és energiája hővé alakul  
4e        egy emittált fotont újra elnyel egy festék molekula

Ebben az esetben a napelem szerepe elsősorban a fény átalakítása elektromos árammá. Ezen folyamat legfőbb jellemzője a teljesítmény hatásfok (PCE, power conversion efficiency).

PCE Power Conversion Efficiency

A teljesítmény hatásfok, definíciószerűen: a kimeneti oldal (napelem) teljesítmény (Pout), és a lumineszcens lapra eső teljesítmény (Pin) aránya.

𝜂opt=𝑃out / 𝑃in =𝐼LSC / (𝐼SC×𝐺)

𝐺 = 𝐴top/𝐴edge      (erősítési tényező)

Atop                 a fény beeső felülete

Aedge               az élek felülete        

Isc                    a napelem rövidzárási árama

Szokás használni még az IPCE hatásfokot is.

Az IPCE hatásfok

Az IPCE (incident photon-current conversion), a beeső fotonok által keltett áramsűrűség (J; mA/cm2) átalakítást jelenti. (Ez gyakorlatilag az ismert I_V jelleggörbe).

A napelem hatásfok növelésére irányuló kutatások más, egyéb irányba is kiterjednek, nevezetesen pl., hogyan lehetne:

• A NAP-nál erősebb fényforrásokat alkalmazni („több nap” erősségű besugárzás koncentrátorral, vagy az űrben telepített, napenergia hasznosító eszközzel)
• vagy más egyéb fényforrásokat (beltéri világítások, erősen árnyékos feltételek, lumineszcens fények)
• a ténylegesen hasznosított fotonok, és a beeső fotonok arányát növelni

A lumieszcens napelem koncentrátort úgy kell elképzelnünk, mint egy nagyfelületű, lap-szerű testet, melynek felszínén (vagy belsejében) fluoreszcens festékszemcsék (dye) vagy kvantum dot (QD részecskék) vannak eloszlatva. (Felületi festéssel vagy az anyagba való bekeveréssel). A festék elnyeli (abszorbeálja) a fényt (másképpen szólva, a fény gerjeszti a festékmolekulát), és ezután egy olyan átalakulás következik, mely során az elnyelt fény belső sugárzássá alakul, és ez, az anyagban, teljes belső visszaverődéssel (TIR) végig halad. Az éleken vékony „hagyományos” napelemek találhatók, melyek a szokásos módon napelemként működnek. A nagy elnyelő felület és a kis felületű élek mentén elhelyezett napelem cellák felület aránya (ALSC = APV) igen nagy ezért az áramsűrűségben ez egy igen nagy erősítésnek felel meg. Ez a konstrukció igen előnyös mivel a felfogó felület átlátszó is lehet (üveg, PMMA[11], sőt javasolt is) így épületintegrációs alkalmazásokra ideális. A gyors és olcsó gyárthatóság miatt (kis felület kell a „hagyományos” napelemből), akár azt egyszer használatos napelem (buy it-use it-throw it) kategóriát is elérheti. A lumineszcens anyagok akár bizonyos fény hullámhosszokra is „hangolhatók”, például ultraibolya (UV) sugárzásra, ily módon ez a napelem cella alkalmas a működési spektrum lényeges kiterjesztésére is. 
 

A lumineszcens solar koncentrátorok alkalmazása

A városi építészet kiválóan tudja alkalmazni az épületintegrációs megoldásokban.

A lumineszcens technológia más technológiákkal is jól kombinálható.

Az elmúlt néhány évben a metál-halid perovszkit (MHP) anyagok gyorsan tért hódítottak az optika területén, mint ígéretes befutó nyerők. Ismerkedünk meg kissé a perovszkittal.

A perovskite 

A perovskit anyagú (típusú) napelemek, csak önmagukban, egy óriási, családot alkotnak. Általános képletük ABX3.

A perovskit[12] 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+)

A kalcium titanát CaTiO3 molekula szerkezete jól példázza a „perovskit család” kristályszerkezetét. 
 

Ami különösen érdekessé teszi a perovszkitet, az az a tény, hogy folyadék állapotot is felvehet, így ideális lehet festék formában történő felvitelre is.

 A stabilitás és tartósság ugyan még megoldandó kérdések, de az a tény, hogy az egyik leg-ígéretesebb technológia.

A „következő generációs napelem” szerkezetek között a hibrid metal halid perovskit kitűnik az alábbi tulajdonságokkal:

• Olcsó
• Ultra vékony rétegek
• Alacsony hőmérsékletű feldolgozás
• Oldatból történő felvitel
• Kiváló fényelnyelő képesség
• Elfogadható működés kevés vagy diffúz fény esetén
• Hajlékony (flexibilis)
• Félig áteresztő
• Nyomtatással is előállíthatók (szitanyomás, 3D nyomás, inkjet printing)
• Roll- to - roll gyártás (12,2%)
• Szilíciummal kombinálva elérhető a 28% (Oxford  PV)
• Az oxfordiak perovskite-solar-cellája 28 % hatásfokot ért el

A perovszkitek és a szuperfluoreszcencia

A félvezető perovszkitek esetében érdemes megemlíteni egy különös jelenséget. Ezek az anyagok szobahőmérsékleten úgynevezett szuperfluoreszcenciát mutatnak. Ez tulajdonképpen egy makroszkópikus szintű kvantum-fázis átmenet (North Carolina State University). Hasonló ahhoz a jelenséghez, amit akkor észlelünk, amikor a nagyszámú seregélyek (szinkron úszók, szardinia halrajok, vagy szentjános bogarak) mutatnak az összehangolt kollektív mozgások esetében, csak ez esetben molekuláris szinten történik minden.

Ha ilyen különleges esemény lép fel, akkor rendszerint az anyagban egyéb különleges tulajdonságok is társulnak, mint, szupravezetés, szupra-folyékonyság, szuperfluoreszcencia. Az összes ilyen esetben az anyag részecskéi együttesen és egyszerre úgy viselkednek, mint egyetlen hatalmas részecske.

A szuperfluoreszcencia egy makroszkopikusan észlelhető kvantum-fázis átmenet, ahol, a pici kis fénykibocsátó dipólus molekulák, egyetlen hatalmas kvantum dipólusként viselkednek, és erős foton felvillanást hoznak létre.

A szupravezetéshez és szupra-folyékonysághoz hasonlóan, általában a szuperfluoreszcencia is, cryogén[13] (igen alacsony hőmérséklet) hőmérsékletet igényel, mert a magasabb hőmérséklet elősegíti, hogy a molekulák (atomok) kiessenek a teljesen szinkronizált állapotból. Ez esetben, ez a jelenség szobahőmérsékleten zajlik le.

És végül tekintsünk a nem túl távoli jövőbe

Az ötödik generációs napelemek 5.G.

Ezek feltehetően  - sőt szinte biztosan - élő és élettelen anyagok összeházasításai lesznek. A növények, több millió év alatt, mutációikkal tökéletesen kidolgozták a napenergia hasznosítást (Calvin ciklus). Szinte minden formáját sikeresen kipróbálták. Érdemes tanulni tőlük és az élővilág többi sikeres egyedétől.

Komoly szakcikkek foglalkoznak , lipid és protein szerű önszerveződő struktúrák alkalmazásáról, napelemes rendszerekben. (szervezetünkben a lipidek és proteinek alapvető fontosságúak).

Ezek grafénhez és fulleridhez hasonló alakzatok formájában jelennek meg majd várhatóan a közeljövőben.

Bio hybrid napelem cella

A bio-hybrid napelem cella egy tipikus példája az élő és élettelen anyagok összeházasításának. A YYY Ábrán a zöld rész egy fotoszintézisre alkalmas élő anyag (például spenót),mely egy p-típusú doppolt szilícium szeleten került elhelyezésre. Fény hatására töltések keletkezése indul meg, melyek szétválaszthatók.

És végül egy algával működő modellt bio-napelemet mutatunk be. A folyamatban oxidáció (O) és redukció (R) is lejátszódik.

Összefoglalás

Ezzel befejeztük,  - a mai tudásunkkal belátható -  napelemek generációit áttekintő sorozatunkat, eljutottunk a rejtelmes 5.ik generációig.

A jövő napelem technológiái feltehetően és elsősorban (angol területen Emerging photovoltaic technologies) a szerves (OPV), DSSC (festékkel érzékenyített napelem cellák) és a PSCs, perovskit típusú napelemek lesznek. De ez család nem korlátozódik csupán erre a három tagra, hanem sok más – szinte végtelen sokaságú –tagja lehet. Ezek a napelem cellák – ritka kivétellel már nem, vagy alig tartalmaznak szilíciumot, hanem - polimerekből, szerves molekulákból, szerves polimerekből, saját vezetőképességgel rendelkező szerves félvezetőkből, szerves komplex, kolloid „prekurzor” (vegyület előfutára), vegyületekből, oxidokból, kalkogenidekből állnak. Hogy milyen lesz ezen napelemek végső kinézete, szilárdak lesznek-e, vagy végtelenül hajlékonyak, egyenlőre nem tudjuk.

Ilyen típusú napelemek, előfutárként ugyan már megjelentek a piacon, de széles körben történő alkalmazásuk még kockázatot jelent, mert még nem érték el az ipari „termék” kategóriát. A további fejlesztések komoly munkát jelentenek a főleg a szerves napelemek végső tokozását, és hosszú távú stabilitását illetően.

[1] A kvantumelméletben a 100%-nál nagyobb „hatásfokok” is ismertek, mert más az értelmezés. 
[2] vagy fluoreszcencia = rövid idejű gerjesztett fényvillanás  
[3] https://www.rp-photonics.com/fluorescence.html  
[4] https://www.enzolifesciences.com/science-center/technotes/2019/december/what-is-the-difference-between-fluorescence-phosphorescence-and-luminescence?/ 
[5] Jablonski-diagram.  
[6] https://www.enzolifesciences.com/science-center/technotes/2019/december/what-is-the-difference-between-fluorescence-phosphorescence-and-luminescence?/ 
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_(physics) (2022);  
[8] http://www.physics.ttk.pte.hu/pages/munkatarsak/nemetb/Spektr-Lab-Elm-5-Molekularis-spektroszkopia.pdf 
[9] https://hu.wikipedia.org/wiki/Lumineszcencia  (2022) 
[10] Phosphoreszcencia 
[11] Polymethylmethacrylate (plexi PMMA) 
[12] Felfedezte Gustav Rose, német tudós 1839,  elnevezve Lev Perovski (1792–1856) orosz tudósról  
[13] −150 °C-tól  (−273 °C)-ig,  absolute zero   vagy (−238 °F) –tól (−460 °F)-ig;  https://www.britannica.com/science/cryogenics  (2022)