Szerves napelemek

2017-06-13 13:09:08 | Módosítva: 2017-06-13 13:14:38

A mindenki által ismert, szilícium alapú napelemek az utóbbi években új vetélytársat kaptak. A szerves, polimer alapú fotovoltaikus eszköz olcsó, egyszerűen gyártható, környezetbarát, és szinte bármilyen felületen alkalmazható. Hátránya az egyelőre alacsony hatásfok.


Hatvan éve annak, hogy megépítették az első, napjainkban is közel ugyanazon működési elven alapuló napelemet, űr- és hadiipari fejlesztésként. A ’70-es évek elején a NASA nyilvánossá tette a technológiát a világ számára, elindítva ezzel a napfény megújuló energiaként történő felhasználásának történetét. Ma már az élet minden területén találkozhatunk szolárcellákkal, a napelemes számológépektől a tetőkön elhelyezett napelemeken át egészen a műholdakig.

Nem kizárólag napfény, hanem bármilyen megfelelő fényspektrummal rendelkező fény esetén lezajlik a jelenség. A napelemek működésének elve az, hogy a fénysugárzás elnyelődésekor töltött részecskéket generál (a fotonok kimozdítják a félvezető elektronjait a kötéseikből), így elektrontöbblet keletkezik, azaz elektromos áram jön létre. A piacon megtalálható napelemek jelentős hátránya, hogy nem környezetbarát anyagok felhasználásával készülnek, drágán.



Szerves napelemek működése

A szerves napelem technológiák két fő irányt jelentenek, a félvezető organikus polimereket és a fényérzékeny festett cellákat (DSC). A félvezető polimerek mesterségesen előállított molekulaláncok, melyek a hagyományos napelemekhez hasonlóan félvezető tulajdonsággal rendelkeznek, így napelem előállítására alkalmasak. Ezzel szemben a DSC-technológia sokkal inkább a természetes fotoszintézist utánozza, csak a zöld klorofil helyett jellemzően vöröses festékréteg nyeli el a fotonokat, és generál elektromos feszültséget. Itt a víz bontása helyett egy fémrétegben mozgatja meg az elektronokat, azaz hoz létre elektromos töltést.

Az organikus megoldásokkal ugyanúgy bevonhatók különböző felületek, mint a vékonyrétegű technológiák esetén, tehát nem csak üvegre, hanem fémre, műanyagra is felvihetők. Az organikus technológia további előnye, hogy kevésbé érzékeny a fény beesési szögére, így nem pontosan déli tájolás esetén is jól használható. Ráadásul kiválóan színezhetők és mintázhatók is. De a legfontosabb ígéret, hogy nagyon olcsón állíthatók elő, nagy felületek vonhatók be velük szinte festéshez hasonlóan.





Hátrányok

Az új eljárás a természetből jól ismert fotoszintézis folyamatát veszi alapul, kisebb hiányosságai azonban jelenleg még kérdésessé teszik a módszer esetleges későbbi elterjedését: a fényelnyelő műanyagok hatásfoka ugyanis egyelőre hagy még kívánnivalót maga után. Bizakodásra ad okot, hogy amerikai kutatók nemrég arról számoltak be tanulmányukban, hogy jelentősen sikerült a szerves polimerekből készített napelemek hatásfokán javítaniuk. Olyan módon, hogy különböző hullámhossz-tartomány elnyelésében hatékony polimereket kombináltak össze egyetlen cellává. A fejlesztés hatásfoka 8,62%, amely messze túlszárnyalja minden eddigi szerves anyagból készült napelem hatásfokát. Az új napelembe ezek után beleépítettek egy, az infravörös tartományban elnyelő polimert is, és a hatásfok tovább emelkedett 10,6%-ra. A másik komoly probléma, hogy a közvetlen napsugárzásnak kitett műanyag viszonylag gyorsan öregszik, így jelenleg még figyelni kell arra, hogy a műanyaggal bevont tárgyak ne közvetlenül legyenek kitéve a sugárzásnak.


Alkalmazási területek

A kutatók szerint a napelemek akár egész felhőkarcolókat is elláthatnak majd árammal. Előnyként említik még, hogy a hagyományos napelemektől eltérően ezt a változatot egyenesen az építési anyagokba tudják nyomtatni, akár üvegbe és cserépbe is. Ez a tényező pedig növeli a formatervezés lehetőségeit is. Ugyanakkor az elemek jóval kisebb tárgyakra, például tabletekre, telefonokra is nyomtathatók. A szerves napelemek nyomtatása nem új ötlet, de a korábban nyomtatott eszközök nem bizonyultak hosszú életűnek. Az újfajta napelem fejlesztői ezen úgy próbálnak változtatni, hogy rövidebb molekulaláncokkal dolgoznak. Az így legyártott panelek élettartama már megközelíti a hagyományos, szilícium alapú napelemekét. A technológia használható feszültségszinteket állít elő akkor is, amikor a modul mérsékelt fényviszonyoknak, részleges árnyékolásnak van kitéve. Egy 7 V feletti üresjárati feszültséggel rendelkező napelem elegendő energiát jelent egy szabványos akku számára, a legtöbb kereskedelemben kapható lítium-ion cella ugyanis 3,6 V feszültségű.

Ezzel egy kicsi és könnyű napenergiás töltőt kapunk, amely méretét tekintve nem nagyobb egy hitelkártyánál. Beilleszthető például egy e-book olvasó akkujához, folyamatosan energiával látva el olvasás közben akkor is, ha odabent ülünk a kanapén.

Összefoglalva, az új napelem-generáció, melyben szerves anyagok alakítják elektromos árammá a napfényt, a fogyasztók számára elsősorban könnyű, akár átlátszó, ráadásul jópofa, számos színárnyalatban elkészíthető napelem-fóliaként jelenik meg a piacon. Ha minden jól megy, idővel a szerves napelem olcsó is lesz, tehát relatíve alacsony hatásfoka ellenére olyan, a Nap járásához képest nem feltétlenül optimális szögben álló falakat, oszlopokat, ablakokat is be lehet borítani vele, amelyek eddig szóba sem jöhettek energiatermelő felületként.




További érdekes cikkeinkről se maradsz le, ha követed az Ezermester Facebook oldalát, vagy előfizetsz a nyomtatott lapra, ahol folyamatosan újdonságokkal jelentkezünk!

A cikk eredeti változata az alábbi címen olvasható az Ezermesteren:
http://ezermester.hu/cikk-7997/Szerves_napelemek