Őrségváltás

A merev, nehéz szilícium alapú napelemek kvázi ipari szabványnak számítanak, de már dörömbölnek az ajtón a trónkövetelők. A könnyű, rugalmas műanyag megoldásokat akár nyomtatással is elő lehet állítani, és egyszerűen felragasztani az épületekre, vagy ablakokra, autókra. Olyan helyeken is képesek elektromos árammá alakítani a fényt, ahol az elődeik ezt soha nem tudnák megtenni.

A kristályos szilícium anyagú fotovoltaikus (Photo Voltaic - PV) napelemek ideje lassan lejár, a helyüket pedig átveszik majd a szerves fotovoltaikus (Organic Photo Voltaic - OPV) technológiák. Az organikus ez esetben széntartalmú molekulákat jelent, de gyakorlatilag műanyag napelemekről van szó. Ezek, a PV megoldások négyzetméterenkénti 20-30 kilogrammos súlyterhelésével szemben mindössze fél kilogrammot nyomnak ugyanakkora felületen, vagyis több mint negyvenszer könnyebbek.

"A gyártási folyamat potenciálisan olcsóbb lehet, könnyűek, rugalmasan alakíthatóak felépítésükben és elvileg környezetbarátabbak is"

- mondta Dr. Francesca Fassioli, az amerikai Princeton Egyetem elméleti fizikusa. Az OPL napelemek nem csak könnyebbek, de sokkal vékonyabbak is a régebbi technológiával készülteknél, ennek köszönhetően a gyártásuk is sem olyan szennyező és takarékosabban előállíthatóak.

Film-elem

"A szilícium alapú technológia és az OPV közötti fő különbség az, hogy az utóbbit képesek vagyunk vékony filmként kinyomtatni vagy bevonni vele egy felületet" - mondta el Damien Hau, a franciaországi  Armour vállalat kutatási, fejlesztési és innovációs vezetője.

Az Armour olyan vékony, félig átlátszó OPV-ket gyárt, melyek az ablaktáblák belsejében is elhelyezhetőek, és így az irodai ablakok kiszűrhetik a beeső napfény egy részét, miközben elektromossággá alakítják azt. Ma még a világszerte működő PV panelek csaknem 90 százaléka kristályos szilíciumból készült, ez a napfényből származó energia 18–22 százalékát képes elektromossággá alakítani. Az OPV panelek jelenlegi hátránya alacsonyabb hatékonyságuk és a magasabb gyártási költségek, mivel iparáguk éppen csak megszületőben van. 

Teljesítménynövelő program

"Ez az a két probléma, melynek megoldásán az új BOOSTER projektünk dolgozik" - mondta el Hau, egy új 6 millió eurós kutatási projektre utalva. A konzorcium a legjobb hatékonyságú fénygyűjtő molekulákat keresi, melyek hatékonysága a laboratóriumokban ma maximum 17 százalék.

A hagyományos szilícium panelek négyzetméterenként 150-200 wattot, míg a jelenlegi kereskedelmi forgalomba kerülő OPV-k négyzetméterenként pusztán 40 wattot termelnek. A BOOSTER projekt célja a teljesítmény megnövelése  150 wattig.

A technológia megújításának során rendhagyó megoldásokat is alkalmaztak. Néhány alkatrészt más eszközökből vettek át, például azt a megoldást, mellyel a  szerves anyag tartalom miatt a műanyag napelemeket védik egy árnyékolással, az ultraibolya sugárzástól. Ma erre egy vékony filmet használnak, mely feleslegesen drágítja a gyártást. Ennek az az oka, hogy nem túl költségkímélő módon a csúcskategóriás televízióban lévő, szerves fénykibocsátó diódák (OLED) védelmére kifejlesztett makulátlan filmrétegeket használják.

"Az OPV technológiánál nincs szükség erre a magas minőségre" - magyarázta Hau. A kifejezetten a műanyag napelemekre kifejezetten újratervezett filmréteg sokkal olcsóbb, és mégis ugyanúgy megvédi az eszközöket.

Technológiai demók

A kutató-gyártó konzorcium vállalatokból és akadémiai partnerekből áll, eddig két újonnan kifejlesztett technológiai demonstrátor termékkel. Az első  egy felragasztható napelem cella, mely ajtóra, padlóra, vagy autókra helyezhető esetleg háztetőkre is.

"Ezzel azt szeretnénk demonstrálni, hogy létezik más módszer is a napelemek elkészítésére" - mondta el Hau. A ragasztható, fényt hasznosító filmet az ENI energiaipari vállalat székhelyén, Rómában, telepítik majd.

A második termékben a műanyag napelemeket textíliákhoz rögzítik, olyanokhoz, melyekkel a felújítás alatt álló épületeket takarják el. Ezt egy nürnbergi egyetemi épületre telepítik majd.

Végtelen fény-pingpong: a polariton

Dr. Fassioli elméleti fizikus, aki az olaszországi Triesztben, a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzatiban (SISSA) csatlakozott Stefano Baroni professzor csoportjához. A QuESt névre keresztelt projekt keretein belül azt vizsgálja, hogy a szerves molekulák hogyan lépnek kölcsönhatásba a fénnyel, annak érdekében, hogy megnövelhessék a szerves napelemek hatásfokát. A napelemekben a molekulák elnyelik a fényt, ezáltal gerjesztett állapotba kerülnek, felszabadul egy elektron, mely elektromos áramot indít.

Dr. Fassioli kutatásai az optikai üregekre irányulnak, melyek csapdába tudják ejteni a fotonokat. Az optikai üregek lényegében két mikroszkopikus tükörből állnak.

Ha valamely anyagot helyezünk ebbe az optikai üregbe, akkor a fotonok folyamatosan visszaverődnek, tükröződnek az anyag és az üreg között, létrehozva ezzel egy új, hibrid állapotot.

“A hibrid (az úgynevezett polariton) fényből és anyagból áll. A jelenséget részben a kvantumfizika magyarázza, több ezer vagy több millió molekulát is érinthet, így a molekulák már nem viselkednek önállóan, de az optikai üregben lévő fényhez kapcsolva szinkronizálódnak" - magyarázta Dr. Fassioli. 

Az elvégzett kutatás új tudományos publikációkat, új ötleteket generálhat majd az anyag és a fény kölcsönhatásáról. "Úgy gondoljuk, hogy a gerjesztett molekulák ezen szinkronizált kollektív viselkedését kihasználhatjuk a fotovoltaikus hatékonyság növelésére" - tette hozzá Dr. Fassioli.

(Kép: Unsplash, Armor)