Új technológiával csökkenthetők a napelemek költségei

Létrehozva: 2008. október 13., 11:01	nyomtat	küld

A félvezető elemet azért igen nehéz vág-ni, mert pattanva törik. A kutatók szerint az új módszerrel a germániumot tartalmazó napelemek előál-lítási költsége a kisebb gyártási veszteség miatt csökkenthető. A mérnökök jelenleg olyan napeleme-ken dolgoznak, amelyek ma még igen drágák és főleg űrhajókon használatosak. A távlati cél az, hogy ezen germánium-alapú napelemek használatát szélesebb körben is elterjesszék. Ezt egyrészt az ár és a súly csökkentésével, másrészt az új technológiának köszönhetően az elemek kisebb hibaszázaléká-val lehet elérni.

A germánium a jelenleg létező leghatékonyabb többrétegű vagy tandem napelemek alsó rétegének anyaga (felül gallium-indium-arzenid, vagy gallium-indium-foszfid rétegek vannak) - drágasága miatt elsősorban a NASA-nál, katonai és kereskedelmi műholdakban használatos. A Föld felszínén működő napelemek 94 %-a 2005-ben egy felmérés szerint szilíciumalapú volt, ám ezek maximális hatásfoka 20%, mivel az infravörös hullámtartományú fényt nem tudják hasznosítani. Ugyanakkor a germániumot tartalmazó napelemek átlagosan 28%-os hatásfokkal működnek, ami koncentrátorokkal 40% fölé növelhető, elméleti hatásfokuk pedig meghaladja az 50%-ot is. Csakhogy a nyers germánium ára több mint 250.000 Ft/kg, a napelemekben lévő 10 cm átmérőjű papírvékony elemek darabja 13500-17000 Ft-ba kerül. Grant Fines, a Utah állambéli Sylarus Technologies főmérnöke szerint az új techológiával ez az ár legalább tizedével csökkenthető.

Jelenleg a 6,3 cm átmérőjű germánium-rudakat rézbevonatú acélhuzal fűrészekkel darabolják, ám ez a majdnem tiszta germánium nagyon könnyen, roppanva törik, a fűrész vastagsága miatt pedig a később újrafelhasznált anyag vágási vesztesége is igen jelentős. A vágási technológiát ugyanis eredetileg a szilícium szeleteléséhez fejlesztették ki, ami kb. 100-szor erősebb szerkezetű, tehát jobban bírja ezt a műveletet. A Utah Egyetem kutatói egy korábban szerszámgyártásban alkalmazott WEDM (wire electrical discharge machining - huzalos szikraforgácsoló megmunkálás) technológiát fejlesztettek tovább. Ez a módszer rendkívül vékony molibdénhuzalt használ, amelyen pulzáló elektromos áram fut keresztül. A technológia még nem áll rendelkezésre ipari méretekben, de a módszert kifejlesztő Eberhard "Ebbe" Bamberg professzor szerint olyan lesz majd, mint egy nagy tojásszeletelő, azaz sok huzal egyszerre több szeletet vág majd a germániumrudakból.

A tervezett technológia szerint a rudak vízszintes támasztékon fekszenek majd, ezekre eresztik rá a huzalt, amit egy csévélőn folyamatosan továbbhúznak, így pótolva a folyamat során egyre vékonyodó vágóhuzalt. A drót felületére vékony olajréteget fecskendeznek, részint az elektromos töltés növelésére, részint az eljárás során megolvadó anyagok lemosására. A vágás igen lassú, - 14 óra alatt szelik át a rudat - mert csak nagyon finoman lehet haladni az elpattanás veszélye miatt. Ám Bamberg reméli, hogy a vágási időt a jövőben sikerül 6 órára csökkenteni, ez pedig már megegyezik a mostani, fűrészes eljárás időigényével. A jelenleg használt rézbevonatú acélhuzal fűrészek vastagsága 170-180 mikron, a molibdénhuzal viszont csak 75-100 mikron átmérőjű (alig vastagabb, mint egy hajszál), emiatt kisebb a veszteség. Számítások szerint, ha az átlagosan 300 mikron vastag germánium-szeletek vágásánál 75 mikronos huzalt használnak, 30%-kal nő a kész szeletek mennyisége. Ám a professzor úgy véli, hogy a pattanásmentes technológia miatt a 300 mikronos vastagság alá lehet menni, ami további 57%-os darabszám-növekedést jelent azonos alapanyag felhasználás mellett. Ez az egyik komoly költségcsökkentő tényező. A másik, hogy a fűrészes eljáráshoz képest a 75 mikronos huzalos technológiánál 22%-kal kevesebb újrahasznosítandó anyag (vágási veszteség) keletkezik. További vizsgálatok azt is kimutatták, hogy a még vékonyabb huzal alkalmazása mellett a megmunkálás finomsága az elektromos töltés csökkentésével is tovább növelhető.

39, 7 %: új európai hatásfokrekord a többrétegű napelemeknél

A német Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE kutatói Freiburgban 39,7%-os hatásfokú többrétegű napelemet készítettek, amivel megjavították saját európai rekordjukat (37,6%). Az új rekor-dot az első ún. Kontaktus-felület (a fénnyel közvetlenül érintkező felfogó-felület) javításával érték el. Ezen a területen a mérnököknek Szkülla és Karübdisz között kell egyensúlyozniuk: az első kontaktus-felületen felfogott fénygerjesztést egy vékony vezetékhálózat viszi a napelem középső régiójába, amit ott egy 50 µm-es aranyvezeték gyűjt össze. A fémvezetékeknek minél nagyobbaknak (és minél kisebb ellenállásúaknak) kell lenniük, hogy a koncentrátorok által "besűrített", a normál napfénynél 300-600-szor erősebb sugárzás gerjesztette áramot maradéktalanul fel tudják fogni, el tudják vezetni. Ugyanakkor ezeknek a vezetékeknek a lehető legvékonyabbnak is kell lenniük, mert a napfény nem tud átjutni a fémen, így a fémes felület csökkenti a fényfelfogó-képességet.

A Fraunhofer ISE Intézetben az utóbbi két évben a kontaktusfelület optimalizálásával foglalkoztak. Dr. Andreas Bett intézetvezető szerint ezek az eredmények tovább növelik a fiatal ágazat versenyképes-ségét, mert csökkentik a Napból nyert energia költségeit. A fentebb vázolt rekordhatásfokú napelemek a FLATCON® típusú koncentrátorokban működnek a freiburgi intézetben. A több mint 30 réteget tartalmazó napelemek egy része Ga0,35In0,65P, másik része Ga0,83In0,17As rétegeket használ, melyeket MOVPE technológiával helyeztek nagy hatékonyságú germánium alapfelületre. (A MOVPE (metal-organic vapour-phase epitaxy - fém-organikus gőzfázisú epitaxia) napjainkra az elektronikai és optikai eszközök előállításának meghatározó technikájává vált. Itt a hordozó forró gázvegyületek hatásának van kitéve, ennek követetkerztében a hordozó kristályszerkezetének megfelelő szilárd fázisú réteg rakódik le rajta.)

Napjaink messze leghatékonyabb napelemei a fentebb vázolt elven működő többrétegű napelemek, ám drágaságuk miatt ma még csak koncentrátorokban illetve az űrtechnológiában használatosak.

Sugárzó energia begyűjtése nanoantennákkal: új generációs napelemek pár éven belül?

A germánium- és szilíciumalapú napalemeké mellett pár éve másik irányban is folyik fejlesztés az Idaho Nemzeti Laboratóriumban. Az elgondolás semmiképp sem nevezhető újnak, de a nanotechno-lógia fejlődésére volt szükség ahhoz, hogy előrelépést lehessen elérni ezen a területen. Az eljárás a rezonancia öngerjesztő fizikai jelenségén alapul: ez okozza, hogy egy magas hang képes összetörni egy üveget.

Bélyegnyi területen milliónyi - fémből készült - nanoantennát elhelyezve nem csak a napfényt, de éjszaka a Föld elektromágneses sugárzását is hasznosítani lehetne. A fő probléma itt az igencsak apró részletekben rejlik: a miniatűr antennák parányi megváltoztatása teljesen eltérő fizikai jelenségeket indukálna, mint például nagyenergiájú elektromágneses mezők nemkívánatos létrejötte. A nanofelületek modellezése kulcsfontosságú tényező és meglehetősen nehéz dolog, ám az eredmé-nyek kárpótolnának az erőfeszítésekért: számítások szerint a nanoantennák képesek a sugárzó (tehát nem csak a Napból érkező) energia 80 %-át felfogni. Megoldandó probléma még a felfogott váltóáram egyenirányítása is, ráadásul a Föld elektromágneses sugárzásának frekvenciája tízezermilliárd Herz-es nagyságrendű, elektromos készülékeink pedig a 60 Hz körüli tartományban működnek. Az Idaho Nemzeti Laboratórium kutatói szerint azonban a sikeres modellek elkészítése után néhány éven belül megkezdődhet a napelemek új generációjának gyártása.