Az elektronok különös viselkedése a magyarázat a napelemek alacsony teljesítményére
2021 / 05 / 12 / Bobák Zsófia
Az elektronok különös viselkedése a magyarázat a napelemek alacsony teljesítményére
A perovszkit napelemek olcsóak és hatékonyak, egy baj van csak velük: nem szeretik a napsütést. Egy teória már létezik rá, hogy miért is van ez így.

A Nap energiáját megcsapolni és az emberi szükségletek kielégítésére felhasználni már az ókori civilizációk számára is ígéretes ötletnek tűnt, bár az időszámításunk előtti századokban még elég behatárolt volt az alkalmazások köre: felfedezték például, hogy hogyan lehet a napsugarak összegyűjtésével egy nagyítóüveg segítségével tüzet gyújtani, vagy tükrökkel koncentrálni a sugarakat egy pontba, hogy a vallási ceremóniákon így lobbantsák lángra a fáklyákat, de ennél messzebbre a napenergia kiaknázásában sokáig nem jutott az emberiség, mivel a fotonok összegyűjtése komplexebb technológiát igényel, mint az egyéb természeti erőforrások, a szél- vagy vízenergia használata.

A napelemek megjelenésével azonban mindenki számára hozzáférhetővé vált ez a környezetbarát energiaforrás, a probléma csak az, hogy a napelem technológia az elmúlt évtizedek fejlődése ellenére is csak alacsony hatásfokkal tudja a szoláris energiát villamosárammá alakítani. Az első fotovoltaikus panel Charles Fritts nevéhez fűződik, aki még a szeléniumot használta a rétegek alapanyagának, azóta már sokkal elterjedtebb a szilíciumból készült megoldás, amelyet a Bell Labs laboratóriumában fejlesztettek ki 1954-ben. Sok idő eltelt már a kezdetleges, mindössze 4%-os konverziós rátával rendelkező panelek megalkotása óta, de a hatékonyságot még ma is bőven lenne hova fokozni, a jelenlegi legjobb napelemek maximum 22%-os hatékonyságúak, de ez is soknak számít, általában ennél kevesebbre lehet számítani, ha a kereskedelmi forgalomban kapható panelek közül választ valaki. A magasabb hatásfokú verziók általában még csak laboratóriumi körülmények között működnek.

A perovszkit ásvány, illetve ásványcsalád valamely tagjának alkalmazása elméletben sokat lendíthet a napelemek gazdaságossá tételén, valamint olcsóbb megoldást jelent, mint a szilícium alapú verziók, de a halogenideket tartalmazó perovszkitnak van egy sajátos jellemzője, ami régóta fejtörést okoz a szakembereknek: ezek a napelemek ugyanis egyszerre hasznosítják a napfényt és ugyanakkor károsodnak tőle, vagyis több sugárzás hatásra csökken, nem emelkedik a teljesítményük. Ez a hosszú távon érezhető instabilitás olyan probléma, amelyet le kell győzni ahhoz, hogy a perovszkit valóban versenyre kellhessen a szilícium panelekkel, de ehhez pontosan meg kell értenie a szakértőknek, hogy mi is zajlik atomi szinten az anyag belsejében.

Szerencsére manapság az egyre jobb felbontású mikroszkópokkal a kutatók olyan betekintést kaphatnak az atomi és szubatomi világba, amelyre korábban nem volt lehetőség és ezzel megnyílhat az út egy olyan jövő felé, ahol az anyagok szerkezetét korábban sosem látott precizitással lehet manipulálni a jobb működés elérése érdekében. A halogenides perovszkitok különös viselkedésének már korábban is próbáltak utánajárni a tudósok, de most megszületett a teoretikus magyarázata is a jelenségnek, ez az 'egyesített elmélet' pedig később hozzájárulhat a napelemek összetevőinek ideális arányú kiválasztásához.

Az Eindhoven Műszaki Egyetem kutatói a metilammónium/formamidinium és fém alapú, ezeket valamilyen bróm és jód halogenidekkel ötvöző paneleket tesztelték és vették közelebbről szemügyre a vizsgálat során. Felfedezték, hogy a beérkező fotonok által kreált elektronok és az elektronlyukak, amelyek együtt excitonokat alkotnak, azokon a helyeken gyűlnek össze leginkább, ahol a legalacsonyabb a tiltott sávok száma az anyagban, vagyis főként a jodidokban gazdag régiókban. A tiltott sáv a szilárd test sávszerkezetének egy olyan tartománya, melyben az elektronállapotok tiltottak, vagyis nem tudnak kötött állapotból a vezetési sávba lépni és a töltést hordozni.

A megfigyelések szerint több napfény hatására több jodid halmozódik fel és több bróm szorul ki ezekről a területekről, növelve a szegregációt.

Az elkülönülés csapdába ejti az elektromosságot továbbító részecskéket, amelyek nem tudnak szabadon mozogni, így alakul ki az instabilitás a panelek teljesítményében. A kutatók szerint a magyarázat az lehet, hogy az elektromosságot hordozó alkotórészek azokat a területeket keresik, ahol a szabad energiájuk a lehető legalacsonyabb. Az egyesített elmélet segítségével azonosították a stabil, a változékony és az instabil régiókat minden, a vizsgálatban használt összetevő számára, ami a lehetővé teszi, hogy a jövőben a bróm arányának változtatásával ideálisabb anyagokat alakítsanak ki mérnökök. A kísérlet eredményei szerint az optimális bróm koncentráció 42% körül van, de azt még további vizsgálatoknak kell bizonyítania, hogy természetes fényviszonyok között pontosan mi is a megfelelő arány.

(Fotó: Wikimedia Commons, Flickr/uniofoxfordpress, gsfc)

További cikkek a témában:

A napelem megtermeli, a folyadékáramos akkumulátor eltárolja az energiát, mindezt kiváló hatásfokkal A perovszkit-kristályos napelem és a vanádium-redox akkumulátor házassága remek megoldásnak látszik a stabilan, akár éjszaka is energiát szolgáltató naperőművek megépítéséhez.
Az emberi haj lehet a titkos összetevő az ellenállóbb napelemek receptjében A perovszkit alapú napelemek jobb hatásfokkal és olcsóbban működhetnek, mint a szilíciumból készültek, de eddig hiányzott belőlük egy fontos komponens: az emberi haj.
Kiderült, miért nem elég hatékony az elektrolízises vízbontás a hidrogén üzemanyag előállítása során A hidrogén alapú autózás jövőjének egyik kerékkötője az emberek által kialakított közlekedési rendszer, ami főként a fosszilis üzemanyagokra épül. A másik a nanorészecskék slendrián munkavégzése, amit most egészen közelről figyeltek meg.


Kövesd a Rakétát a Facebookon is!
Kövess, üzenj, kommentelj a Rakéta Facebook oldalán!
Ismerd meg a ROADSTER magazint!
AUTÓK - DESIGN - GASZTRO - KULT - UTAZÁS - TECH // Ha szereted a minőséget az életed minden területén, páratlan élmény lesz!
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.