A tanulmányban a napelemkutatásban és -fejlesztésben megismert trendeket, illetve fő eredményeket ismertetem, amelyek a szorosan vett napelemgyártás iparágra, illetve a globális energiatermelésre is hatással vannak. Előbb összefoglalom a napelemek alapanyagát jelentő félvezetők tulajdonságait és a napelemekben játszott szerepüket, majd kitérek a napelemek hatásfokának alapvető problematikájára, amelynek megoldása a napelemmel kapcsolatos kutatások egyik legfontosabb hajtóereje. Ez részben definiálja a napelemek röviden ismertetendő különböző generációit. Utána a legújabb kutatási eredményeket és gyártásban előforduló trendeket írom le, részletesebben kiragadva a sokat ígérő ún. töltéshordozó-többszörözés jelenségén alapuló kutatásokat.

A napelemekben az aktív részt a félvezetők képezik, amelyek elnyelik a napsugárzásból származó fényt, és azt árammá alakítják. A félvezetők olyan anyagok, amelyekben a vegyértéksáv energiaszintjeit töltik be az elektronok, míg a vezetési sávban az elektronok számára megengedett állapotok vannak, de alapállapotban ezeket nem töltik be elektronok. A vegyértéksáv és vezetési sáv között helyezkedik el a tiltott sáv; ezeken az energiaszinteken nem helyezkedhetnek el az elektronok. A tiltott sáv (gap) energiáját Eg-vel jelöljük (1.a ábra). Ha a félvezetőbe jutó fénysugár kvantumának, azaz a fotonnak az energiája meghaladja a tiltott sáv szélességét, akkor az elektront a vegyértéksávból a vezetési sávba tudja gerjeszteni. A vegyértéksávban elektronhiány jön létre, amelyet lyuknak nevezünk, míg a vezetési sávba egy ún. vezetési elektron kerül. Az a tipikus folyamat, hogy a vezetési elektronok a vezetési sáv aljára, míg a lyukak a vegyértéksáv tetejére jutnak a félvezető atomjainak kollektív rezgései, más néven fononok által. Ezeket a töltéshordozókat valamilyen beépített potenciálkülönbséggel szétválasztjuk, mielőtt azok egymást kioltják. Ezt nevezzük töltéshordozó-szétválasztásnak, amelyet úgy tudunk tipikusan előidézni félvezetőkben, hogy diódastruktúrát alakítunk ki az elnyelő réteg köré.

A hagyományos napelemekben lejátszódó folyamatot az 1.(a) ábra szemlélteti. A folyamat során egy foton egy elektron-lyuk párt kelt, amelyhez tartozó feszültség az Eg energiának felel meg. A leadott teljesítmény a fotogerjesztés által generált áram nagysága szorozva ezzel a feszültséggel. Láthatóan az Eg energiájánál nagyobb energiájú, azaz rövidebb hullámhosszú (például kék-, ibolyaszínű) fény energiáját nem tudjuk kinyerni, hanem azt fononok nyelik el. Ezen kollektív rezgések melegítik fel a félvezető anyagot, így a beeső fény energiája ebben az esetben nagyrészt a napelemet fűti, és nem áramot termel. Az Eg-nél kisebb energiájú fényt szintén nem lehet hasznosítani. Itt figyelembe kell venni, hogy a Földre jutó napsugárzás intenzitásának van energia (vagy hullámhossz) szerinti eloszlása. Ezt az eloszlást, illetve a fenti folyamatot modellezve meg lehet találni azt az ideális félvezető anyagot, amelynek a tiltott sávja az optimális hatásfokot biztosítja. William Shockley és Hans-Joachim Queisser kiszámította, hogy a Földre jutó természetes napsugárzás esetén maximum 31% hatásfok érhető el a fenti veszteségek miatt, ha a félvezető anyag tiltott sávját optimalizáljuk, amely nagyjából 1,4 eV (elektronvolt). A fenti számításban szórt fényt feltételeztek. Ha tükrök vagy lencsék (koncentrátorok) segítségével ezerszeresére növeljük a napsugárzás természetes intenzitását, akkor is legfeljebb 40% hatásfokot lehet elérni. Ezek a számok lehangolóak. Ráadásul ezek elméleti értékek, amelyek nem számolnak bizonyos veszteséggel, amely például a töltéshordozók kinyerésekor léphet fel. Emiatt a piacon vásárolható hagyományos napelemek hatásfoka még ennél is lényegesen kisebb. A napelemkutatásokban a fő kihívást az jelenti, hogy a napelemcellában hogyan lehetne növelni a hatásfokot, azaz az egységnyi felületre beeső napenergiát mekkora arányban tudják elektromos árammá konvertálni.

A napelemek fejlesztéséhez szorosan kötődik a fenti fizikai határfeltétel mellett egy közgazdasági fogalom, a hálózati áregyenlőség, amely megpróbálja a különböző energiatermelési módszerek hálózati árát összehasonlítani, hogy meg lehessen nevezni, mely energiatermelési módszerek gazdaságosak. Egy évtizede azt gondolták az Egyesült Államokban, hogy a 72 cent/W ár-energia arány már versenyképessé teszi a fotovillamos energiatermelést, amelyet 2012-ben sikerült elérni. Néhány évvel ezelőtt azonban ún. rétegrepesztéses bányászati technológiával újabb olaj- és gázmezőkhöz lehetett hozzáférni, így immár 30 cent/W-ra kell leszorítani ezt az arányt, hogy a napelemek által termelt energia nyereséges legyen. Ez a közgazdasági (és nem kifejezetten anyagtudományi) indoka annak, hogy a hatásfok növelése mellett cél, hogy minél olcsóbban lehessen előállítani, installálni és a villamos hálózatba integrálni a napelemcellákat és az általuk termelt villamos energiát. Az új, vagy szokatlan megoldásokkal operáló napelemcellák kutatására és fejlesztésére nagy a társadalmi igény a gazdaságosság reményében.

A napelemek fejlesztése nagyjából négy évtizede kezdődött, és a kezdetekben összeforrt a szilícium-félvezetők gyártásával. Az elmúlt négy évtizedben fejlesztett napelemeket három generációra szokás felosztani.

Az 1. generációs napelemek közé elsősorban a hagyományos napelemeket sorolhatjuk, amelyeket először a félvezetőgyártásban felgyülemlő hulladék egykristály szilíciumszeletek felhasználásával hoztak létre. A szilícium viszonylag gyengén nyeli el a Földre jutó napsugárzást, emiatt vastag réteget kell növeszteni, hogy a 20% körüli hatásfokot el tudják érni. A vastag, jó minőségű kristályréteg növesztése viszonylag nagy gyártási és installálási költséggel jár. Amorf szilíciumot használva az elnyelés hatékonynak bizonyult már vékonyrétegekben is, ami csökkentette ezeket a költségeket. Az amorfszilícium-rétegekben elérhető hatásfokot viszont a mai napig nem sikerült 14% fölé növelni.

A 2. generációs napelemek közé azokat a vékonyréteg-napelemeket soroljuk, amelyek előállítási költségét leszorítják, még ha a drágább kristályos szilícium napelemekéhez képest kisebb lesz is a hatásfokuk. Ide soroljuk tipikusan az ún. CIGS (réz-indium-gallium-diszelenid) vagy CdTe (kadmium-tellurid) vegyület-félvezetőből készült napelemeket.

A 3. generációs napelemek közé szoktuk sorolni az újfajta anyagokkal kísérletező kutatások és fejlesztések eredményeként létrejövő napelemeket, amelyek ígéretesek abból a szempontból, hogy egyszerre olcsók, mégis nagy hatásfokúak. Ezek közül külön ismertetem a kvantumpötty vagy nanorészecske (quantum dot, nanoparticle; röviden QD és NP) szerkezeteken alapuló napelemeket, amelyek ideális esetben a Shockley–Queisser-féle elméleti határértéket meghaladó hatásfok elérésére is képesek lehetnek.

A fentiek alapján érdemes gyors összehasonlítást tenni a különböző napelemgyártók és kutató-fejlesztők által készített laboratóriumi napelemcellák hitelesített hatásfokai között. A hitelesítést a National Renewable Energy Laboratory (NREL) USA-beli megújulóenergia-kutatásokra alapított intézetben végzik, ahol az eredmények nyilvánosan elérhetőek. Hozzá kell tenni: a piacon megvásárolható napelemek hatásfoka általában 1–2%-kal kisebb, mint a laboratóriumi mintákéi. A hagyományos egyfajta félvezetőrétegből előállított maximális hatásfok szilícium esetén 25%, amelyet 2005 és 2015 között

szinte semmivel sem sikerült feljebb vinni. Az Alta Device cég gallium-arzenidből (GaAs) készített olyan napelemet 2015-ben, amelynek hatásfoka csaknem meghaladta a 29%-ot. Ez hatalmas tudományos-mérnöki teljesítmény, hiszen ez a napelemcella csaknem elérte az elméleti 31%-os hatásfokot. A GaAs sokkal hatékonyabban nyeli el a napfényt, mint a szilícium, és a tiltott sáv szélessége gyakorlatilag megegyezik a számításokban kapott optimális értékkel szemben a szilíciuméval, ezért lehetett ebből jobb hatásfokú napelemet készíteni, mint a szilíciumból. Ugyanakkor a GaAs-réteg növesztése drágább, mint a szilíciumé, és a réteg mérgező elemet tartalmaz, emiatt nagyfogyasztói energiatermelésre nem lesz alkalmazható. A nagy hatásfokú működés viszont lehetővé teszi, hogy például mobileszközök (tabletek, okostelefonok stb.) hátulsó lapján töltőként funkcionáljon, ahol a természetes vagy mesterséges fény energiáját tudja hasznosítani. A második generációs napelemeket tekintve a First Solar cég jelentette be először 2013-ban, hogy CdTe-vékonyréteg napelemek hatásfoka meghaladta a 22%-ot, ami a piacon akkor egyedülállónak számított az olcsóbb napelemek között. A kutató-fejlesztők tovább dolgoztak a szilíciumalapú napelemcellákon, és a Panasonic cég nemrég jelentette be, hogy sikerült elérnie a 25,6%-os hatásfokot, mégpedig úgy, hogy a kristályos szilíciumot amorf szilícium réteggel zárták le, emiatt heterostrukturált szilícium napelemcellának is nevezik (angol betűszóval HIT). Ez nagyon ígéretes irány, mert egy évtized után sikerült áttörni a kristályos szilícium napelemek 25%-os hatásfokát úgy, hogy az előállítási költséget sikerült viszonylag alacsonyan tartani. A harmadik generációs napelemek közül a szerves félvezetőkből és félvezető nanorészecskékből készült napelemek hatásfoka meghaladta a 11%-ot. Bár ez az érték jóval alacsonyabb a kristályos félvezetőkből készültekéhez képest, de például az NP-kből készült napelemek hatásfoka az elmúlt öt évben az ötszörösére ugrott. Az NP-alapú napelemek esetén a fő problémát a töltéshordozók hatékony szétválasztása és a kontaktusokhoz vezetése jelenti, amelyek elvileg megoldható anyagtudományi és mérnöki problémák. A harmadik generációs napelemek közé sorolhatóak még a perovszkitot tartalmazó napelemek, amelyek hatásfokát először 2013-ban sikerült hitelesítve kimérni. A perovszkit napelemek laboratóriumi hatásfokát szédületes gyorsasággal néhány év alatt sikerült 22%-ra fejleszteni, de egyelőre ezen napelemstruktúrák vízgőz hatására degradálódnak, és működés közben fél órán belül töredékére esik a hatásfokuk.
A következőkben azt vizsgálom meg, milyen megoldások kecsegtetnek a Shockley–Queisser-féle 31%-os elméleti hatásfokhatár meghaladására. Az ő modelljükben három alapfeltevés volt: (1) egyfajta félvezetőréteget használunk, (2) a magasan gerjesztett elektronok gyorsan a legalacsonyabb gerjesztett energiájú állapotra csengenek le, (3) egy foton emiatt csak egy elektron-lyuk párt tud létrehozni. Az (1) feltételezést meg lehet haladni, ha több félvezetőréteget használunk, amelyek a napsugárzás spektrumából más-más energián tudják hatékonyan elnyelni a fényt. Ilyen típusú többrétegű tandem napelemcellákat állítottak már elő, amelyek hatásfoka koncentrátor nélkül elérte a 39%-ot. A tandem napelemcellák előállítása azonban drága, ezért csak költségekre kevéssé érzékeny területeken (hadiipar, űrtechnika) használhatóak fel. Ezen elv egy speciális megvalósítási módosulata a köztes sávot (intermediate band, IB) tartalmazó napelemcellák kifejlesztése. Az IB-napelemcellákban az anyag megfelelő módosításával a tiltott sávon belül, nagyjából a sáv közepén egy félig betöltött sávot hozunk létre, amelyre a vegyértéksávból, illetve amelyről a vezetési sávba elektronokat lehet fénnyel felgerjeszteni, de az elektronnak a vezetési sávról (vagy a lyuknak a vegyértéksávról) gátolt a lecsengése az IB-re. Bár ezt a koncepciót több kutatócsoport próbálta megvalósítani, egyelőre nincs IB-alapú napelemcella, pedig elvileg olcsóbbak lehetnek a tandem napelemcelláknál.

A (2) és (3) feltételeket meghaladó lehetséges fizikai folyamatok egyike az ún. töltéshordozó-többszörözés magas energiájú foton gerjesztésénél, amelyet az 1.b ábra magyaráz. Ennek az a lényege, hogy bizonyos anyagokban az elektronok közötti Coulomb-kölcsönhatás olyan erős lehet, hogy a magas energiájú elektron-lyuk pár nem fűti a napelemet, hanem helyette egy új, alacsonyabb energiájú elektron-lyuk párt hoz létre. Ez a jelenség elvileg felléphet hagyományos félvezetőkben, de ott elhanyagolhatóan kicsi a valószínűsége. Arthur J. Nozik jósolta meg 2001-ben, hogy félvezető NP-ben az elektronállapotok „bezáródnak”, és a bezárt elektronok között a Coulomb-kölcsönhatás annyira felerősödhet, hogy a töltéshordozó-többszörözés valószínűsége meghaladja a fononok által végigvitt lecsengés valószínűségét (hőként való disszipáció). Ez az elméleti jóslat felkeltette a kísérleti kutatók figyelmét, ennek köszönhetően az elmúlt évtized intenzív kutatásai megerősítették, hogy ez a jelenség valóban fellép bizonyos félvezető NP-kben (például ólom-szelenidben). 2011-ben publikálták a bizonyítékot arra, hogy egy adott gerjesztőenergia mellett egy fotonnal egynél több elektront lehet kinyerni egy félvezető NP-kből álló napelemcellában. Emellett Zimányi Gergely és munkatársai pontos kvantummechanikai számításokkal megjósolták, hogy kolloid kadmium-szelenid (CdSe) nanokristályok felületét megfelelően kezelve IB-t tartalmazó napelemcellát lehet létrehozni egyetlen félvezető anyagot, CdSe-t használva. Az IB-sáv az alacsony energiájú napfényt tudná jól hasznosítani, míg a magas energiájú napfényt a töltéshordozó-többszörözés jelensége révén lehetne az energiatermelésbe hatékonyan bevonni. A megjósolt hatásfok eléri az 55%-ot, amelyet még egyetlen napelemtípussal sem sikerült megközelíteni, beleértve a koncentrátorok használatát. Hozzá kell tenni, hogy félvezető nanokristályok felület/térfogat aránya meglehetősen nagy, de a felületi struktúrákat egyelőre nem lehet olyan nagy pontossággal szabályozni, amekkora szükséges lenne a hatékony működéshez. Emellett a kolloidalapú nanokristályos napelemek esetén a töltéshordozók hatékony szétválasztása és kivezetése komoly fejlesztési feladat. Emiatt érdemes alternatív anyagokat is figyelembe venni a töltéshordozó-többszörözés jelenség előidézésére. Efstratios Manousakis javasolta azt, hogy az ún. erősen korrelált elektronrendszerű anyagokat próbáljuk erre használni. Az ilyen anyagokban bizonyos elektronpályák között erős Coulomb-kölcsönhatás lép fel. A vanádium-doixid egy releváns módosulatára sikerült pontos számításokkal igazolni Eric Coulter és e tanulmány szerzőjének közreműködésével, hogy a napfény energiájának tartományában a töltéshordozó-többszörözés valószínűsége valóban meghaladja a fononok általi lecsengés valószínűségét. Az első kísérletek hasonló típusú anyagokkal már elindultak, és ez az egyik nagyon ígéretes irányzat lehet a teljesen új anyagok által segített nagy hatásfokú napelemek előállítása területén. E közlemény és a többi kutatás referenciáit a szerző kutatócsoportjának honlapján, WEBCÍM  címen lehet megtalálni.
 

Kulcsszavak: CIGS-napelem, tandem napelemcellák, perovszkit napelemek, félvezető nanorészecskék, kvantumpöttyök, töltéshordozó-többszörözés, VO2, erősen korrelált elektronrendszer