Szerves napelemek

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.