Arassunk fényt!

A fotovoltaikus fa

Jól látod ezt a szöveget? Milyen színű ez a papír? Vagy mi is az, hogy szín? Fény. A fénynek köszönhetünk mindent. Itt van mindenütt körülöttünk, de már annyira hozzászoktunk, hogy észre sem vesszük, pedig nélküle ezt a szöveget sem tudnád most elolvasni. Legfeljebb akkor tudatosítjuk, hogy valami hiányzik, amikor beköszönt a sötétség. Amikor ott ülünk reszketve és nem látunk mást csak feketeséget. Hová tűnik ilyenkor a fény?

A fény az, ami lehetővé teszi számunkra, hogy csodáljuk gyönyörű bolygónkat – a halkan növő füvet, a rohanő felhőket, hogy megláthassuk a másik szemében a csillogást. De a fény nem csak ez! A fény elektromágneses sugárzás, így egy kifogyhatatlan energiafolyam is. Miért nem használjuk hát ki ezt is? A természet kitalálta, megalkotta a látásunkat. Most rajtunk a sor, hogy mindennapi eszközeinknek is lehetővé tegyük ezt. Természetesen nem a látást, de ennek a végtelennek tűnő energiaforrásnak a felhasználását.

Ez nem egy új gondolat, legalább már két évszázada felmerült ez az ötlet. Jelenleg is rengeteg ember dolgozik rajta világszerte. A varázsszó a fotovoltaika. Az ötlet, hogy csináljunk a fényből elektromos áramot. Igen ám, egyszerű ezt mondani, de megvalósítani már nem annyira. De biztosak vagyunk benne, hogy lehet, mert láttunk már olyan számológépet, amibe nem kellett elem, csak ki kellett tenni a fényre. A bolygónk körül keringő szateliteket is hajtja valami. De hogyan is működik ez?
A fiatal francia A. E. Becquerel már 1839-ben megalkotta a világ első fotovoltaikus celláját. 1954-ben a Bell-laboratóriumban létrehozták a világ első napelemét, és így kezdődött el a fény „aratása.” Természetesen sok minden kellett ehhez, például egy Einstein aki megmagyarázta a fényelektromos jelenséget (fotoeffektust), és vannak dolgok, amit még máig sem értünk pontosan.

A klasszikus napelemnek az alapját is az elektrotechnikában közkedvelt szilícium alkotja. Köztudottan a szílícium nagyon jó félvezető, ezért is van jelen minden eszközünkben. Más elemekkel való szennyezése pedig még javít ezen tulajdonságán. Attól függően, hogy milyen elemet használunk, létrehozhatunk P vagy N típusú félvezetőt. Az egyik esetében a plusz elektronok, a másiknál pedig a lyukak vezetnek. Ha pedig ezt a két típusú vezetőt összetesszük, létrehozunk egy P-N átmenetet. Az egyik helyről az elektronok, míg a másikról a lyukak vándorolnak majd a másik felé. Persze ez nem történik majd a végtelenségig, hanem csak addig, amíg kialakul egy egyensúlyi állapot. A már ott lévő hordozók egyre jobban gátolják a továbbiak áramlását. Így alakul ki egy belső elektromos mező, egy beépített pontenciál-különbség. Ez valójában a diódakarakter: egyik irányból folyik az áram, a másikból nem. Elképzelhetjük úgy, mint egy hegygerincet, az elketronok könnyedén legurulnak, de fölmenni ismét már nem tudnak. És hogy lesz ebből napelem? Itt jön Einstein.

 A fénysugár fotonjai a fény hullámhosszától függő nagyságú energiával rendelkeznek. Ha egy elektron elnyeli egy foton energiáját és több energiája lesz, mint a kilépési munka, akkor kilökődik az anyagból. Ha a foton energiája túl alacsony, az elektron nem képes kilépni az anyag felületéről. Egyfajta „mindent vagy semmit” elvet követnek. A napelemek esetében nincs is szükségünk arra, hogy ezek az elektronok elhagyják az anyagot, nem az a célunk, hiszen éppen őket szeretnénk begyűjteni. Ez esetben tehát elég, ha a sugárzás energiája meghaladja a küszöbszintet és az elektron egy magasabb energiaállapotba kerül, átugrik vezetői szintre.

Az így létrehozott fotoelektronok, mert így nevezik ezeket, biztosítják a részecskeáramot, a P-N átmenet pedig a feszültséget. Ez a potenciálkülönbség biztosítja a létrehozott elektron-lyuk pár szétválasztását.

A látható fény csak egy része a széles elektromágneses spektrumnak. Ez a sugárzás nem monochromatikus, tehát minden hullámhossz megtalálható benne (ezért van a szivárványnak annyi színe), így különböző energiaszinteket képviselnek. Tehát néhánynak nincs elég energiája, hogy átlépje a küszöbszintet, néhánynak meg túl sok van, ami aztán elveszik. Most mondhatnátok, hogy akkor miért nem használnak olyan anyagokat, amiknek alacsony a küszöbszintje. Az nem segítene, mivel azzal csökkenne a potenciálkülönbség is és számunkra az elektromos teljesítmény a fontos, ami meg a feszültség és az áram szorzata. Így ez nem megoldás. Tehát minden paramétert úgy kell megválasztani, hogy a teljesítmény legyen a legnagyobb, amihez még azt is számításba kell venni, hogy a látható fénytartományban sem egyenlő mértékben vannak jelen az egyes hullámhosszok.

A napelemekben további veszteségekkel is kell számolnunk, mint például azzal, hogy a létrehozott elektronokat el kell juttatni a megfelelő helyre. Mint mindennek, a szíliciumnak is van ellenállása, ami hátráltatja ezt. Nem mindegy tehát, hogy hová tesszük az érintkezéseket. Ha az elem két oldalára, akkor az elektronoknak nagyon hosszú utat kell megtenniük odáig. Ha felülre, akkor meg eltakarjuk. A bevett szokás, hogy egy fém hálózatot hoznak létre, ami elvezeti a keletkezett elektronokat.

A teljesítmény-növelés érdekében általában antireflex felülettel vonják be a szilíciumot, hogy megelőzzék a fényvisszaverődést. A szílicium hátlapját pedig ellenben reflex felülettel vonják be, hogy visszaverje a rajta áthaladó fényt, így újabb esélyt adva az elektrongerjesztésre. A felület strukturálása is megnöveli a fény optikai útját és így nagyobb eséllyel ütközik egy elektronba. További trükköket is használnak, mint például több rétergű átmenetek letrehozását, mindet a teljesítmény-növelés érdekében.

 Most jön akkor a nagy kérdés, miért használjuk akkor már ma is ezt? A válasz pedig mi más lenne, mint a pénz. A jelenleg már széles körben használt napelemek hatásfoka olyan 15% körüli, ami valljuk be, nem olyan sok. Nagy összefüggéseiben nézve a belefektetett energia és ami a napelem élettartama alatt visszatérül, jelenleg még nem megfelelő. A legdrágább része a szilícium napelemeknek maga a szilícium. A tiszta szilícium legyártása nagyon hosszadalmas és költséges. Ez a legnagyobb tétel az árban.

Több megoldás is lehet erre. Az egyik legkézenfekvőbb talán, hogy akkor használjunk kevesebb szilíciumut, legyenek vékonyabbak a panelek. Ezek az ún. második generációs napelemek. Már ma is léteznek és elérhetőek. A gond velük csak az hogy vékonyak, így rövidebb a fény optikai útja bennük, kevesebb elektron keletkezik, ezáltal kisebb a teljesítményük. Másrészt viszont könyebben alkalmazhatóak és olcsóbbak.

A következő megoldás a szilícium lecserélése lenne valamilyen más anyagra, ami könnyebben elérhető. A legjobb lenne egy teljesen szén alapú napelem létrehozása, mert az mindenütt megtalálható. Ezzel egyidőben jönnek már a harmadik generációs napelemek, amik merőben másak. Alapjában véve ugyan nem, de próbálnak mindent összekombinálni, így létrehozni valami teljesen újat.

Jelenleg én is egy ilyen napelemen dolgozom, egy ultravékony (pár mikron) grafén alapú plazmon struktúrákkal feljavított napelemen. Hogy mi is ez pontosan, arról rengeteget tudnék még mesélni, de az legyen egy következő történet. Bízzunk benne, hogy sikerül működőképessé tennünk és így valami újat adni a világnak. Valami újat és jobbat a szebb jövő érdekében.