Szilícium többréteg-átmenetes és tandem napelemek

 

A szilícium többréteg-átmenetes (angolul: heterojunction) napelemek, vagy röviden SHJ napelemek, egy modern technológiát ismertetnek meg velünk. Ezek a napelemek két különböző típusú félvezető anyagot használnak, ami javítja a hatékonyságukat.

 

Az SHJ napelemek előnyei közé tartozik a magas hatékonyság, ami azt jelenti, hogy több elektromosságot termelnek a napfényből. Továbbá hosszú élettartamúak, sokáig használhatók anélkül, hogy cserélni kellene őket. Kétoldalasak is lehetnek, azaz mindkét oldalukon képesek napfényt fogadni, így termelve több energiát.

 

A SHJ technológia hátulütői közé tartoznak a magasabb gyártási költségek és a bonyolultabb gyártási folyamat. Ezek a napelemek speciális fémeket és technológiákat igényelnek a gyártáshoz, ami drágábbá teszik őket.

 

A SHJ napelemek különböző fejlesztésekkel és új anyagokkal javulhatnak a jövőben, így még hatékonyabbá és költséghatékonyabbá válhatnak. Ezek a napelemek nagyon ígéretesek a napenergia területén, mivel sok energiát képesek termelni kevés helyen.

Perovszkit napelemek

A perovszkit napelemek a fotovoltaikus cellák egy új típusát képviselik, amelyek perovszkit-szerkezetű vegyületeket tartalmaznak, leggyakrabban hibrid szerves-szervetlen ólom- vagy ónhalogenid-alapú anyagot, mint a fénygyűjtő aktív réteget, amik kristályszerkezetet alkotnak.

 

A perovszkit anyagokat olcsó előállítani és egyszerű gyártani. A laboratóriumi készülékek napelem-hatékonysága, amelyek ezeket az anyagokat használják, 2009-ben 3,8%-ról 2021-re 25,7%-ra nőtt önmagukban felhasználva, szilícium-alapú tandem sejtekben 29,8%-ra, meghaladva a szilícium napelemekben elért maximális hatékonyságot.

 

Nagy a potenciál a még magasabb hatékonyság elérésének lehetőségében. A nagyon alacsony gyártási költségekkel együtt a perovszkit napelemek kereskedelmileg vonzóvá váltak. A perovszkit napelemekben található számos optoelektromos tulajdonság előnyös a napelemekben való alkalmazásuk szempontjából. Például az exciton kötési energia kicsi. Ez lehetővé teszi, hogy az elektronlyukak és az elektronok könnyen elváljanak a foton elnyelésekor.

 

Az újabb kutatási eredmények szerint a perovszkit napelemek ígéretesek olyan napelemek létrehozásában, amelyek könnyen felvihetők a legtöbb felületre, beleértve a rugalmas és texturált felületeket is. Ezek az anyagok könnyűek, olcsók előállítani és olyan hatékonyak, mint a mai vezető fotovoltaikus anyagok, amelyek főként szilíciumból készülnek.

 

A perovszkit napelemeket már használják a kis teljesítményű vezeték nélküli elektronika prototípusainak tápellátására az ambientálisan táplált IoT alkalmazásokban, így segítve az éghajlatváltozás enyhítésében.

 

A perovszkitok egy kristályszerkezetű anyagcsoport, amely számos előnnyel rendelkezik a hagyományos szilícium napelemekkel szemben.

 

• Olcsóbbak

Az ilyen napelemek gyártása olcsóbb, mint a hagyományos szilícium napelemeké. Ez azért van, mert könnyebben előállíthatók, és kevesebb nyersanyagra van szükségük.

 

• Hatékonyabbak

Ez azért van, mert a perovszkit kristályok  nagyobb energiaátalakítási hatékonyságot biztosítanak. Szilícium alapúak: ~ 26%, a perovszkit napelemeké már elérte a 29%-ot, és további növekedés várható.

 

• Könnyebben gyárthatók

A perovskit napelemeket könnyebben lehet gyártani, mint a hagyományos szilícium napelemeket. Ez azért van, mert a perovszkitok vékony rétegekből készülhetnek, amelyeket könnyebb felhordani. A hagyományos szilícium napelemeket nagy darabokból vágják ki, ami költséges és időigényes. A perovszkit napelemeket viszont vékony rétegekből lehet előállítani, amelyeket közvetlenül az üveg hordozóra lehet nyomtatni. Ez a folyamat sokkal egyszerűbb és gyorsabb.

 

• Stabilabbak

A perovszkit napelemek azonban még mindig fejlesztés alatt állnak, és egyik fő problémájuk a stabilitás javítása. Idővel hajlamosak elveszíteni hatékonyságukat, ami korlátozza az élettartamukat és a hosszú távú fenntarthatóságukat.

 

Azonban ne feledjük a hátrályaikat sem:

 

• Stabilitás és Kihívások

A perovszkit napelemek egyik fő kihívása a stabilitás. Bár a laboratóriumi körülmények között elért hatékonyság lenyűgöző, a hosszú távú stabilitás és megbízhatóság továbbra is fontos kutatási terület. A stabilitás javítására irányuló kutatások közétartoznak az öngyógyító polimerek és a környezetbarát bevonatok fejlesztése.

 

• Környezeti aggályok, újrahasznosítás

Ezek a napelemek gyakran tartalmaznak ólmot, ami környezetvédelmi aggályokat vet fel. A kutatások a mérgező anyagok csökkentésére vagy helyettesítésére irányulnak. Emellett a perovszkit napelemek újrahasznosítása is kiemelt jelentőséggel bír, mind a környezeti hatások, mind az ólomtartalom miatt.

 

Távolabbi kilátások

A perovszkit napelemek alkalmazása tandem rendszerekben, például szilíciummal kombinálva, még nagyobb hatékonyságot ígér. Bár a perovszkit napelemek hatékonysága ígéretes, a kereskedelmi alkalmazásukat még mindig korlátozza a stabilitás és élettartam kérései.

 

Összességében a perovszkit napelemek kétségkívül a jövő egyik legígéretesebb napenergia-technológiáját képviselik. Magas hatékonyságuk, alacsony gyártási költségük és rugalmasságuk miatt széleskörű alkalmazásuk várható, amennyiben sikerül megoldani a stabilitással és környezetvédelemmel kapcsolatos kihívásaikat.

Ezek a technikai újítások jelentősen hozzájárulnak a napelemes technológia fejlődéséhez és a megújuló energiaforrások használatának növeléséhez.