Napelemek egy Walmart tetőn, Mountain View, Kalifornia.
Walmart / Flickr, CC BY

A globális energiaigény óránként növekszik, amikor a fejlődő országok az iparosodás felé haladnak. A szakértők becslése szerint az 2050 évre a világszerte igénybe vehető a villamosenergia-igény 30 terawatt (TW). A perspektíva szempontjából egy terawatt nagyjából megegyezik az 1.3 milliárd ló teljesítményével.

A napból származó energia korlátlan - a nap minden pillanatban 120,000 TW energiát szolgáltat nekünk - és ingyenes. De manapság a napenergia biztosítja csak körülbelül egy százalék a világ villamos energiája. A kritikus kihívás az, hogy a fotoenergia felhasználható elektromos energiává történő átalakítása olcsóbbá váljon.

Ehhez olyan anyagokat kell találnunk, amelyek elnyelik a napfényt és hatékonyan alakítják át villamos energiává. Ezenkívül azt szeretnénk, ha ezek az anyagok bőséges, környezetbarát és költséghatékony lenne, hogy napelemes készülékekké alakuljanak.

A világ minden tájáról érkező kutatók azon dolgoznak, hogy hatékony és megfizethető napelemes technológiákat fejlesszenek ki. A cél az, hogy a napenergia termelésének wattonkénti 1 USD-ja alá csökkenjen a telepítés költsége, összehasonlítva a 2006 körülbelül 3 dollár wattonként.

A Binghamton Egyetemen Autonóm Napenergia Központ (CASP), azt vizsgáljuk, hogyan lehet vékonyrétegű napelemeket előállítani olyan anyagok felhasználásával, amelyek gazdag természetűek és nem mérgezőek. Olyan napelemeket akarunk kifejleszteni, amelyek megbízhatóak, rendkívül hatékonyak a napfény villamosenergiává történő átalakításában, és olcsóbbak a gyártáshoz. Két olyan anyagot azonosítottunk, amelyek nagy potenciállal bírnak napenergia-abszorpcióként: pirit, fém fénye miatt jobban ismert bolond arany; és réz-cink-ón-szulfid (CZTS).

Az ideális anyag keresése

A mai kereskedelmi napelemek három anyagból készülnek: szilícium, kadmium-tellurid (CdTe) és réz-indium-gallium-szelenid (CIGS). Mindegyiknek van erőssége és gyengesége.

A szilícium napelemek rendkívül hatékonyak, a rájuk eső napfény 25 százalékáig villamos energiává alakítják át, és nagyon tartósak. A szilícium ostyákká történő feldolgozása azonban nagyon drága. Ezeknek az ostyáknak nagyon vastagnak kell lenniük (kb. 0.3 milliméter, ami vastag a napelemek számára), hogy elnyeljék azokra ráeső összes napfényt, ami tovább növeli a költségeket.

A szilikon napelemeket - amelyeket gyakran első generációs napelemeknek is neveznek - a panelekben használják, amelyek a háztetőkön ismerős látványossá váltak. Központunk egy másik, vékonyrétegű napelemeknek nevezett típust tanulmányoz, amelyek a napenergia-technológia következő generációja. Amint a neve is sugallja, a vékony filmrétegű napelemeket úgy állítják elő, hogy egy vékony réteg napenergia-abszorbens anyagot helyeznek egy olyan hordozóra, mint például üveg vagy műanyag, amely általában rugalmas lehet.

Ezek a napelemek kevesebb anyagot használnak, tehát olcsóbbak, mint a szilíciumból készült kristályos napelemek. Nem lehet kristályos szilíciumot bevonni egy rugalmas hordozóra, ezért szükségünk van egy másik anyagra, amelyet napenergia-abszorbensként használunk.

Noha a vékonyrétegű napelemes technológia gyorsan fejlődik, a mai vékonyrétegű napelemekben található anyagok kevés vagy veszélyesek. Például a CdTe-ben található kadmium rendkívül mérgező minden élőlényre, és ismert, hogy rákot okoz az emberekben. A CdTe magas hőmérsékleten (például laboratóriumban vagy háztartási tűz esetén) kadmiumra és tellúrra bomlik, és ezzel komoly belélegzési kockázatot jelent.

A pirittel és a CZTS-sel dolgozunk, mert nem mérgezőek és nagyon olcsók. A CZTS körülbelül 0.005 cent wattonként, a pirit költségek csupán 0.000002 cent wattonként. A földkéregben a leggazdagabb anyagok közé tartoznak, és hatékonyan elnyelik a látható napfény spektrumát. Ezek a fóliák olyan vékonyak lehetnek, mint egy milliméter 1 / 1000th.

CZTS napelemek tesztelése szimulált napfény alatt.
Tara Dhakal / Binghamton University, szerzőKi kell kristályosítani ezeket az anyagokat, mielőtt azokat napelemekké alakíthatnánk. Ez melegítés útján történik. A CZTS az 600 Celsius fok alatti hőmérsékleten kristályosodik, szemben a szilícium 1,200 Celsius fokkal vagy magasabb fokával, ami olcsóbbá teszi a feldolgozást. Ugyanúgy teljesít, mint a nagy hatékonyságú réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) napelemek, amelyek jelenleg a kereskedelemben beszerezhetők, de ezekben a cellákban az indiumot és a galliumot olcsóbb és bőséges cinkkel és ónnal helyettesíti.

Eddig azonban a CZTS napelemek viszonylag nem hatékonyak: kevesebbet konvertálnak 13 százalék a napfényt, amelyre rájuk esik az elektromosság, összehasonlítva a drágább CIGS napelemek 20 százalékával.

Tudjuk, hogy a CZTS napelemek 30 százalékos hatékonysággal bírnak. A fő kihívás az 1), a jó minőségű CZTS vékony film szintetizálása szennyeződések nyomai nélkül, és az 2) a megfelelő anyag megtalálása az alatti „puffer” réteg számára, amely elősegíti a napfény által az abszorbens rétegben létrehozott elektromos töltések összegyűjtését. Laboratóriumunkban CZTS vékony filmet készítettünk hét százalékos hatékonyság; reméljük, hogy hamarosan megközelítjük az 15 százalékos hatékonyságát azzal, hogy kiváló minőségű CZTS rétegeket szintetizálunk és megfelelő pufferrétegeket találunk.

CZTS napelem felépítése.
Tara Dhakal / Binghamton Egyetem, szerzőA pirit egy másik potenciális abszorbens, amely nagyon alacsony hőmérsékleten szintetizálható. Laboratóriumunkban pirit vékony fóliákat szintetizáltunk, és most azon dolgozunk, hogy ezeket a fóliákat napelemekké rétegezzük. Ez a folyamat kihívást jelent, mivel a pirit hő és nedvesség hatására könnyen lebomlik. Megvizsgáljuk, hogyan lehetne stabilabbá tenni anélkül, hogy befolyásolnánk a napenergia-abszorpciót és a mechanikai tulajdonságokat. Ha meg tudjuk oldani ezt a problémát, a „bolond arany” intelligens fotovoltaikus eszközré válhat.

Egy nemrégiben elvégzett tanulmányban a Stanfordi Egyetem és a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem kutatói becslések szerint a napenergia nyújthat akár 45 százalékig amerikai villamosenergia-mennyiséget az 2050. E cél eléréséhez tovább kell csökkentenünk a napenergia költségeit, és meg kell találnunk a napelemek fenntarthatóbbá tételének módjait. Úgy gondoljuk, hogy a bőséges, nem mérgező anyagok kulcsfontosságúak a napenergia potenciáljának kiaknázásához.

A szerzőről

Tara P. Dhakal, a New York-i Állami Egyetem Binghamton Egyetemi Villamos- és Számítástechnikai Asszisztens professzora. Kutatási érdeke a megújuló energia, különösen a napenergia. Kutatási célja a környezetbarát és gazdasági szempontból megfizethető napelem-technológia megvalósítása.

Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.

Kapcsolódó könyvek

at InnerSelf Market és Amazon