Az elmúlt években a világ a megújuló energiaforrások irányába történő figyelemre méltó elmozdulásnak volt tanúja, miközben a napenergia a tiszta energia forradalmának élharcosává vált.
A nap bőséges energiáját hasznosító napelemek létrehozásuk óta jelentős fejlődésen mentek keresztül, és az éves fotovoltaikus kapacitás bővítése évről évre nő, a tervek szerint 2026-ra meghaladják a földgázét, 2027-re pedig a szénét. A kérdés azonban az, hogy a napelemek képesek lesznek-e jobban begyűjteni a napfényt, mivel jelenleg a szilícium alapú napelemek hatékonysága a hasznos energiává alakított napenergia 15-20%-a között mozog.
Ebben a cikkben a megújuló energiaforrások, különösen a napelem-technológia világában mélyedünk el, és feltárjuk a napfény begyűjtési hatékonyságának fokozását lehetővé tévő izgalmas lehetőségeket.
Napenergia és egyéb megújuló energiaforrások
A napenergia a megújuló energia legbőségesebb és legelérhetőbb forrása. A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) adatai szerint 2022-ben csaknem 1 300 TWh napenergiát termeltek, ami rekordszintű, 270 TWh-s (26%-os) növekedés. 2022-ben a napenergia a történelem során először haladta meg a szélenergia-termelést, és a megújuló technológiák közül a legmagasabb abszolút termelésnövekedést mutatta. Ez a termelésnövekedési ütem összhangban van azzal, amit a 2050-ig nettó zéró kibocsátás forgatókönyv a 2023 és 2030 közötti évekre prognosztizál.
A napelemek hatékonyságának jelenlegi állapota
A napelemek, más néven fotovoltaikus (PV) panelek, jelentős előrelépéseket tettek a hatékonyság terén az elmúlt néhány évtizedben. A hagyományos szilícium alapú napelemek elérték a kereskedelmi életképesség szintjét, és már számos rendszer található a háztetőkön és különböző tájakon szerte a világon. Ezeknek a paneleknek a hatékonysága, amint azt a bevezetőben említettük, a napfényt elektromos árammá alakító képességükkel mérve, jellemzően 15% és 20% között mozog.
Bár ezek a számok lenyűgözőek, a hatékonyság növelésére irányuló törekvés továbbra is folyamatban van. A kutatók és mérnökök folyamatosan olyan innovatív technikákat kutatnak fel, amelyekkel a napelemeket még hatékonyabbá, megfizethetőbbé és környezetbarátabbá tehetik.
Forradalmi napelemes technológiák
Az új kialakítások és rétegek nagyobb hatékonyságot és több energia betakarítását teszik lehetővé. Míg a szilíciumból készült napelemek a napfénynek csak egy szűk frekvenciasávját alakítják át, addig az újabb anyagok használata jobb fényelnyelést tesz lehetővé.
Perovszkit napelemek
A perovszkit, egy titán- és kalciumkristály, hatékonyabban nyeli el az infravörös spektrumhoz közelebb eső fényt. Ezek a könnyű és rugalmas cellák alacsony költségű eljárásokkal gyárthatók, így vonzó lehetőség a jövőbeni napelem-kialakítások számára.
A perovszkit napelemek nagyobb hatékonyságot képesek produkálni, mint a szilícium alapú napelemek. A kutatók folyamatosan finomítják a perovszkit készítményeket a stabilitás és a teljesítmény fokozása érdekében, amely lehetőség szerint a jelenlegi szabványok fölé emeli a hatékonysági szintet. Ennek bizonyítéka Svájc, ahol a Swiss Federal Institute of Technology (Svájci Szövetségi Technológiai Intézet, EPFL) és a Swiss Centre for Electronics and Microtechnology (Svájci Elektronikai és Mikrotechnológiai Központ, CSEM) kutatói először lépték túl a perovszkit-szilícium tandem napelemek 30%-os hatékonysági küszöbét.
Ezek a nagy hatékonyságot mutató eredmények most további kutatást és fejlesztést igényelnek, hogy nagyobb felületekre is kiterjesszék őket, és biztosítsák, hogy ezek az új cellák a háztetőinken és más helyeken is stabil teljesítményt tudjanak fenntartani egy normál élettartam alatt.
– Quentin Jeangros a CSEM-től
Tudjon meg többet a perovszkit napelemekről az 5 legjobb innovatív napelemes technológiáról szóló cikkünkben.
Tandem napelemek
A napelem-hatékonyság növelésének egyik ígéretes módja a tandem napelemek fejlesztése. Ezek a cellák két vagy több rétegnyi különböző félvezető anyagból állnak, hogy a napfény szélesebb spektrumát gyűjtsék be. Tartalmazhatja a jelenleg elérhető napelemek keverékét, amelyek perovszkitokból, Si-ből, GaAs-ból, CIGS-ből stb. készülnek.
Például Németországban a Helmholtz Centre Berlin (HZB) és a Hamelinben működő Napenergia Kutatóintézet (ISFH) csapatai bemutatták a PERC (passzivált emitter és hátsó érintkezés) fotovoltaikus cellákat, amelyek a piacon a leghatékonyabbnak számítanak 23%-os maximális hatékonysággal. A német tudósok azonban biztosak abban, hogy az új tandem PERC/POLO cellák 29,5%-ot érhetnek el.
Európán kívül a szaúd-arábiai kutatók egy új típusú napelemet fejlesztettek ki, amely soha nem látott, 33,7%-os arányával megdöntötte a legnagyobb hatékonyság rekordját. Ez egy tandem napelem, amely szilícium és perovszkit kombinációján alapul. Míg a szilíciumréteg a legtöbb infravörös fényt elnyeli és elektromossággá alakítja, a perovszkit réteg elnyeli a látható fényt, így hatékonyabb, mint a hagyományos cellák.
„Reméljük, hogy új eredményeink hozzájárulnak a zöld energiára való átállás felgyorsításához.”
– Erkan Aydin, a King Abdullah University of Science and Technology (King Abdullah Tudományos és Technológiai Egyetem, KAUST) kutatója
Kétoldalas napelemek
Kétoldalas napelem néven ismertek azok a fotovoltaikus napelemek, amelyek mindkét felületükön áramot termelnek. Más szóval, a kétoldalas napelemek képesek mindkét oldalról begyűjteni a napfényt, hatékonyan kihasználva a felületekről, például a háztetőkről vagy a talajról visszaverődő napfényt (megjegyzés: a talajszintre szerelve működnek a legjobban). Egyes kétoldalas panelek akár 30%-kal is képesek növelni az energiatermelést. A pontos mennyiség a környezettől függ.
Kvantumpontos napelemek
A tudósok a nanotechnológia birodalmában kutakodnak a félvezető nanoszerkezetek napenergiához való felhasználásával, és rendkívül hatékony, bonyolult nanostruktúrákkal és kvantumpontokkal rendelkező napelemeket hoznak létre. A kvantumpontos napelem olyan napelem, amely kvantumpontokat használ a fotovoltaikus anyag elnyelésére.
A Megújuló Energiák Nemzeti Laboratórium szerint a kvantumpontokban megvan a lehetőség arra, hogy drámai módon növeljék (egyes eszközökben akár meg is duplázzák) a napfény energiává alakításának hatékonyságát. Ezek a struktúrák képesek manipulálni a fényt nanoméretben, ami jobb elnyelést és nagyobb energiaátalakítási hatékonyságot tesz lehetővé. Az ezen a területen végzett kutatások előrehaladtával olyan napelemek tanúi lehetünk, amelyek minden eddiginél hatékonyabban képesek hasznosítani a napfényt.
Összefoglalás
Az új fejlett technológiákkal és a különböző típusú napelemekkel a napenergia és a napelemek egyre népszerűbbé válnak. Az új napelemek fejlesztése nemcsak a napfény begyűjtésének hatékonyságát javítja, hanem az energiaipart is átalakítja. Ahogyan a világ folytatja a tiszta energiaforrások irányába történő átállását, a napelemek fejlődése a fenntartható és energiában bőséges jövő felé való átmenet része lesz.
