A napenergia, a vízenergia és a szél után a harmadik legnagyobb megújuló energiaforrás, a fosszilis tüzelőanyagok tiszta, fenntartható és erőteljes alternatívájaként jelent meg. A Földet érő napfény több mint tízezerszerese a világ teljes energiafelhasználásának, és a minél több napenergia begyűjtésére szolgáló technológiák rohamosan fejlődnek. A Bell Laboratories által 1954-ben létrehozott első kereskedelmi forgalomban kapható szilícium (Si) napelemek óta a legelterjedtebb technológiák ma már a Si-alapú napelemek különböző formáit használják, és a napfény akár 20%-át is elektromos energiává alakítják.
Az IEA piaci elemzése szerint a fotovoltaikus (PV) napenergia-termelés – a napfény elektromos árammá alakításának folyamata – a 2018-as 585 TWh-ról 2019-ben elérte a 720 TWh-t, és 2025-re várhatóan 1 940 TWh-ra nő. A napenergia jelenlegi maximális globális kapacitása 592 GW, amely 2,2%-kal járul hozzá a globális villamosenergia-termeléshez.
- Melyek a jelenlegi és a jövőbeni innovatív anyagok?
- Kristályos szilícium
- Vékonyfilmek
- Perovszkit napelemek
- Melyek az áttörést jelentő integratív napelemes technológiák?
- Ha bármilyen kérdése van, vagy szeretné tudni, hogy tudunk-e segíteni vállalkozásának innovációs kihívásaiban, kérjük, vegye fel velünk a kapcsolatot itt, vagy írjon nekünk a [email protected] e-mail címre.
Melyek a jelenlegi és a jövőbeni innovatív anyagok?
A tipikus napelem félvezető anyagokból, például p- és n-típusú szilíciumból áll, egy külső áramkörrel összekapcsolt réteges p-n átmenettel. A paneleket érő napfény megvilágítása elektronok kilökődését okozza a szilíciumból. A kidobott elektronok belső elektromos térben áramlást hoznak létre a p-n átmenetben és a külső áramkörben, ami áramot (elektromosságot) eredményez. A gyorsan növekvő piac és a kreatív alkalmazások fejlődése miatt az innovatív napenergia-anyagokkal kapcsolatos K&D a csúcson van, hogy alacsony költségek mellett maximális napenergia-villamossági hatékonyságot érjen el. Napjainkban háromféle, sokat vizsgált félvezető anyag a kristályos Si, a vékonyrétegek és a következő generációs perovszkit napelemek (PSC).
Kristályos szilícium
A kristályos szilícium (c-Si) a napelemekben leginkább használt félvezető anyag, amely a globális PV-piac több mint 90%-át foglalja el, bár a hatásfok jelentősen az elméleti határérték alatt van (~30%). Az alternatív, alacsony költségű és nagy hatásfokú anyagokból készült napelemek egyre inkább előtérbe kerülnek.
A National Renewable Energy Laboratory (NREL) a nagy hatásfokú kristályos napelemek fejlesztését irányítja, amely magában foglalja a III-V többszörös átmenetű anyagokat (>30%-os célhatásfokkal) és a hibrid tandem III-V/Si napelemeket. Hat-csomópontú III-V napelemcelláik koncentrált fényben 47,1%-os hatásfokot értek el. Emellett a Si-alapú bifaciális technológia képes a napenergiát a panel mindkét oldaláról betakarítani, 11%-kal nagyobb hatékonysággal, mint a hagyományos panelek.
Vékonyfilmek
A második generációs vékonyfilmes napelemek az egyik legígéretesebb PV-technológiaként jelennek meg keskeny kialakításuk (350-szer kisebb fényelnyelő rétegek a hagyományos Si-panelekhez képest), könnyű súlyuk, rugalmasságuk és könnyű telepíthetőségük miatt. Felépítésükhöz jellemzően négyféle anyagot használnak: kadmium-tellurid (CdTe), amorf szilícium, réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) és gallium-arzenid (GaAs). Míg a CdTe a kadmium miatt mérgező, addig a CIGS napelemek ígéretesebb, nagy hatásfokú és gazdaságosabb lehetőségnek bizonyulnak mind a lakossági, mind a kereskedelmi létesítmények számára, akár 21%-os hatásfokkal.
Az Ascent Solar a nagy teljesítményű CIGS-modulok gyártásának egyik vezető szereplője, szuperkönnyű és extrém CIGS-technológiáját az űrkutatásban, az űrkutatásban, a kormányzati és a közszférában használják.
Perovszkit napelemek
A következő generációs napelemek közül a hibrid fémhalogenid perovszkit napelemek (PSC) nagy figyelmet kaptak alacsony áruk, vékonyabb kialakításuk, alacsony hőmérsékletű feldolgozásuk és kiváló fényelnyelési tulajdonságaik (jó teljesítmény gyenge és szórt fényben) miatt. A PSC-k rugalmasak, könnyűek és félig átlátszóak lehetnek. A perovszkit vékonyrétegek nyomtathatók is, ami skálázható, nagy áteresztőképességű gyártást tesz lehetővé, és a közelmúltban egy tekercsről tekercsre nyomtatott PSC elérte a 12,2%-os hatásfokot, ami a legmagasabb a nyomtatott PSC-k között.
A perovszkit és Si-PV kombinált anyagok laboratóriumi körülmények között rekord hatékonyságot mutattak, akár 28%-ot is elérve, amint azt az Oxford PV bizonyította. Bár a stabilitás és a tartósság továbbra is nagy gondot jelent, a közelmúltban kifejlesztett olcsó polimer-üveg stack kapszulázási rendszer lehetővé tette, hogy a PSC-k ellenálljanak a szokásos működési körülményeknek. Bár a PSC-k még mindig nem kerültek kereskedelmi forgalomba, jelentős gazdasági és hatékonysági előnyökkel rendelkeznek, amelyek a napenergia-piac jövőjének motorjai lehetnek.
Melyek az áttörést jelentő integratív napelemes technológiák?
Az innovatív anyagok mellett a maximális napenergia kinyerésének kreatív módszerei is megjelennek. A svájci induló vállalkozás, az Insolight például a panelek védőüvegébe integrált lencséket használ optikai erősítőként, amelyek 200-szorosára koncentrálják a fénysugarakat, miközben 30%-os hatásfokot érnek el.
Egy másik legújabb fejlesztés a termoradiatív PV-eszközök, vagy fordított napelemek prototípusainak tervezése, amelyek éjszaka is képesek áramot termelni azáltal, hogy hasznosítják a panelekből az optikailag összekapcsolt mélyűrbe sugárzott hőt, amely hőelnyelőként szolgál.
Érdekes, hogy az innovatív anyagok mellett a szokásos háztetői telepítésektől eltérő, integráló alkalmazások is egyre nagyobb teret hódítanak, amelyek jelenleg még gyerekcipőben járnak. A napdesztilláció például képes a napenergiát betakarítani, miközben a panelek által leadott hőt víz tisztítására hasznosítja, ha van integrált membrándesztillációs tartozék.
A jövő másik átalakító technológiája a napfestékek lehetnek, amelyek közé tartozik a napfesték-hidrogén (fotovoltaikus vízbontásból nyer energiát), a kvantumpontok (fotovoltaikus festék) és a perovszkit-alapú festékek.
Ezeken túlmenően az átlátszó napenergia ablakok rendkívül innovatív alkalmazások, és az Ubiquitous Energy 10%-os napenergia-villamosenergia átalakítási hatékonyságot ért el átlátszó anyagaival. A technológia úttörőjének számító Michigan Állami Egyetem bemutatója ezen a videón látható:
Az alacsony költségű, nagy teljesítményű félvezető anyagok, a helytakarékos vékony filmek és a könnyen telepíthető technológiák gyors fejlődésével a következő öt évben várhatóan fellendül a napenergia piaca. A világjárvány okozta visszaesés ellenére biztató a napelemes berendezések 2024-ig várható 15-35%-os költségcsökkenése, ami megfizethetőbbé teheti ezt a megújuló energiát.