Mi a perovszkit napelem? Mik az előnyei és a hátrányai?

A perovszkit napelem a napenergia iparágban zajló innovációs hullám egyik legkiemelkedőbb szereplője. Az utóbbi években újfent jelentős, már-már forradalmi előrelépések történtek a megújuló energia szektorában, és a perovszkit napelemek ennek a fejlődésnek a középpontjában állnak.

A perovszkit napelemek egy élvonalbeli fejlesztést képviselnek, amely forradalmasíthatja a globális napenergia piacot. De mi is pontosan a perovszkit napelem? Cikkünkben részletesen kifejtjük, hogy miként működnek az új típusú perovszkit napelemek, milyen előnyökkel járnak és milyen hatással lehetnek a napenergia jövőjére.

Mi az a perovszkit napelem?

Egy új vékonyfilm fotovoltaikus (PV) technológia osztálya van kialakulóban, amelyet 3. generációs PV-ként ismerünk. Az innovatív fotovoltaikus rendszerek túlmutatnak a jelenlegi technológiák határain, új anyagok és gyártási eljárások alkalmazásával. A harmadik generációs PV-k közé tartoznak a festékérzékeny napelemek (DSSC), az organikus napelemek (OPV), a kvantumpont napelemek (QD) és a rendkívül ígéretes perovszkit napelemek.

A perovszkit napelemek a legnagyobb áttörést jelentik ezen a területen. Ezekben a napelemekben az aktív rétegként szolgáló perovszkit anyagok, például a metilammónium ólom-halogenidek, kiváló fényelnyelési képességgel rendelkeznek. Emellett előállításuk egyszerű és költséghatékony. A perovszkit hosszú hordozó élettartamot biztosít, így kiváló alapanyag a szilárdtest napelemekhez.

A perovszkit napelemek igazi újdonságnak számítanak a napenergia világában. Látványos eredményeket mutatnak, hiszen szinte az összes látható fényt képesek energiává alakítani. Ki gondolta volna, hogy egy ilyen anyag ilyen gyorsan ennyire fontos szerepet fog játszani? A laboratóriumi mérések szerint már több mint 20%-os hatékonyságot értek el velük. Ráadásul a gyártásuk is egyszerűbb, mint más, hasonlóan hatékony napelemeké, ami nagyon vonzóvá teszi őket.

Az amerikai Energiaügyi Minisztérium is nagy figyelmet fordít a perovszkit napelemek fejlesztésére. A céljuk, hogy ezek a napelemek még hatékonyabbak és tartósabbak legyenek, és minél hamarabb eljussanak a boltok polcaira.

A perovszkit napelemek neve egy különleges kristályszerkezetről származik. Érdekes módon nem csak a napenergia terén használhatóak, hanem más energiatechnológiákban is, például üzemanyagcellákban.

Az elmúlt években hihetetlen fejlődésen mentek keresztül ezek a napelemek. Míg 2009-ben még csak 3%-os hatékonyságuk volt, mára már meghaladja a 25%-ot. Ez szinte hihetetlen gyorsaság! Bár már nagyon jó eredményeket mutatnak, még mindig van mit fejleszteni rajtuk. A stabilitás, a nagyüzemi gyártás és a költséghatékonyság azok a területek, ahol még sok feladat vár a kutatókra.

Miből, hogyan gyártják a perovszkit napelemet?

A perovszkit napelemek, mint ígéretes új technológia, a kereskedelmi forgalomba való széleskörű bevezetés előtt állnak. Ahhoz, hogy ez a forradalmi energiaforrás elérhetővé váljon a nagyközönség számára, elengedhetetlen a gyártási folyamatok jelentős fejlesztése.

Mi is az a perovszkit?

A perovszkit egy természetes ásvány, melyet 1839-ben fedezett fel Gustav Rose német mineralógus. Nevét Lev Perovski orosz mineralógusról kapta. A perovszkit önmagában kevés ipari felhasználási területet kínál, azonban ha bizonyos szervetlen és szerves anyagokkal kombinálják, félvezetővé alakítható. Ez a tulajdonsága teszi rendkívül vonzóvá a napelemek gyártásában, mivel a perovszkit alapú napelemek rendkívül hatékonyan képesek a napfényt elektromos energiává alakítani.

A skálázhatóság és a reprodukálhatóság kulcsfontosságú

A perovszkit napelemek gyártásának felpörgetése érdekében a gyártási eljárásokat úgy kell kialakítani, hogy azok könnyen skálázhatók legyenek, azaz a kis méretű laboratóriumi körülmények között kifejlesztett technológiák nagyüzemi környezetben is hatékonyan működjenek.

Emellett a gyártási folyamatoknak rendkívül reprodukálhatónak kell lenniük, hogy a készülő napelemek minősége egységes és megbízható legyen. A Set által kitűzött ambiciózus villamosenergia költségcsökkentési célok eléréséhez elengedhetetlen, hogy a perovszkit napelemek gyártási költségei jelentősen csökkenjenek.

A perovszkit napelemek gyártásának kihívásai

A perovszkit napelemek vékonyrétegű eszközök, melyek rétegek egymásra rakásával készülnek. A rétegek felvitele történhet nyomtatással, folyékony tintákkal vagy vákuum-depozícióval.

A nagyüzemi gyártás során azonban jelentős kihívást jelent a kis méretű laboratóriumi cellákban elért magas hatékonyság fenntartása a nagy méretű modulok esetében. A perovszkit napelemek gyártásának jövője nagymértékben attól függ, hogy a kutatók képesek lesznek-e megoldani ezt a problémát.

Mennyiben különbözik a perovszkit napelem a hagyományos napelemtől?

A perovszkit napelemek egyedi szerkezete olyan, halogént nem tartalmazó perovszkit anyagokat foglal magába, mint például az oxidok és a nitridek. Az elmúlt évtized kutatásai során kiderült, hogy ezek az anyagok kiválóan alkalmasak a napfény energiájának elektromos energiává alakítására.

A perovszkit struktúrák mesterséges úton történő előállítása viszonylag egyszerű és költséghatékony folyamat, ami jelentős előnyt jelent a hagyományos szilícium alapú napelemekhez képest.

Ezért a perovszkit napelemek a jövő napenergia megoldásainak egyik legígéretesebb jelöltjei közé tartoznak. Kiváló hatékonyságuk és alacsony előállítási költségük miatt nemcsak a napelemes panelek területén, hanem más iparágakban is nagy érdeklődés övezi őket, például az elektromos járművek akkumulátorai, lézerek és különböző érzékelők fejlesztésében.

A perovszkit napelemek története viszonylag rövid múltra tekint vissza. Az első ilyen típusú napelemet a japán Tsutomu Miyasaka fejlesztette ki 2009-ben. Az akkori napelem hatékonysága még igen alacsony, mindössze 3% volt.

Azonban a technológia rohamos fejlődésnek indult, és mára a perovszkit napelemek hatékonysága már meghaladja a 25%-ot is. Ez azt jelenti, hogy ezek a napelemek képesek a beeső napfény több mint negyedét elektromos energiává alakítani.

Összehasonlításképpen, a szilícium alapú napelemek, amelyek jelenleg a legelterjedtebb típusú napelemek, több mint 37 év alatt érték el ezt a hatékonyságot. A perovszkit napelemek ugyanezt a teljesítményt mindössze 15 év alatt érték el, ami azt mutatja, hogy ez a technológia milyen gyors ütemben fejlődik.

Mik az előnyei a perovszkit napelemnek?

A perovszkit napelemek megjelenése új korszakot nyithat a megújuló energia világában. Ezek a forradalmi eszközök, amelyek egyre hatékonyabbak és költséghatékonyabbak lesznek, kulcsfontosságú szerepet játszhatnak abban, hogy globális szinten kielégítsük az energiaigényeinket, miközben jelentősen csökkentjük az üvegházhatású gázok kibocsátását. A perovszkit napelemek kiemelkedő hatékonyságukkal, alacsony gyártási költségeikkel és sokoldalú alkalmazhatóságukkal hívják fel magukra a figyelmet.

A perovszkit napelemek a hagyományos napelem technológiákhoz képest alacsonyabb anyag- és feldolgozási költségekkel is rendelkeznek. A perovszkit fotovoltaikus (PV) cellák egyik legnagyobb előnye, hogy különböző fényhullámhosszokra is képesek reagálni, így több napfényt tudnak elektromos árammá alakítani.

A perovszkit napelemek egyik kiemelkedő előnye a magas hatékonyság

A hagyományos szilícium napelemek átlagosan 22%-os hatékonysággal működnek, bár a Longi nevű kínai fotovoltaikus szervezet 2022 végén a szilícium napelemek esetében a világ legmagasabb hatékonyságát, közel 29%-ot jegyezte fel. A perovszkit napelemek nemcsak hasonló hatékonyságot érnek el gyorsabban, hanem további előnyöket is kínálnak:

1. Alacsonyabb gyártási költségek révén a perovszkit anyagok szintetikus természete olcsóbb gyártási folyamatokat tesz lehetővé.
2. A perovszkit napelemek sokoldalúan integrálhatók a hagyományos napelemek mellett számos más alkalmazásba is, ami sokoldalúvá teszi őket az energia technológiában.
3. A perovszkit hatékonyságának gyors javulása jelentős jövőbeni fejlesztéseket vetít előre.

Ezen felül a perovszkit PV-k rugalmasságot, félig átlátszóságot, testreszabható formákat és könnyűséget kínálnak. Ezek a tulajdonságok komoly érdeklődést váltanak ki az elektronikai tervezők és kutatók körében, akik új alkalmazási lehetőségeket látnak a napelemek számára ezen egyedi tulajdonságoknak köszönhetően.

Milyen hátrányai vannak a perovszkit napelemnek?

A perovszkit anyagok, bár ígéretes tulajdonságokkal rendelkeznek a napelemek hatékonyságának növelése szempontjából, jelentős akadályba ütköznek a kereskedelmi forgalomba kerülés során. Az egyik legnagyobb aggály az ólomalapú perovszkitok környezeti hatása. Mivel az ólom egy rendkívül toxikus nehézfém, annak jelenléte a napelemekben komoly egészségügyi és környezeti kockázatokat rejt magában.

A perovszkit napelemek ólomtartalma miatt a technológia közmegítélése jelentősen romlott. A mérgező nehézfémek, különösen az ólom, egészségügyi hatásai régóta ismertek és vitatottak. Hasonló aggályok merültek fel már a CdTe napelemek esetében is az 1990-es években. Bár a CdTe rendkívül stabil és alacsony toxicitású anyag, szigorú ipari előírásokat vezettek be a gyártása és kezelése során.

A perovszkitok azonban egy teljesen más kategóriát képviselnek. Ezek az anyagok rendkívül instabilak, és könnyen lebomlanak, miközben oldható, nagyfokú biohasznosulással rendelkező ólom- vagy ónvegyületeket szabadítanak fel. Ez azt jelenti, hogy az ólom sokkal könnyebben kerülhet be az élő szervezetekbe, jelentősen növelve az egészségügyi kockázatokat. A legújabb toxikológiai vizsgálatok is megerősítik ezeket az aggályokat.

Az ólom rendkívül veszélyes nehézfém. Még kis mennyiségben is súlyos egészségügyi problémákat okozhat, idegrendszeri károsodástól a fejlődési rendellenességekig. Különösen veszélyeztetettek a kisgyermekek, akik sokkal érzékenyebbek az ólomra, mint a felnőttek.

A problémák kezelésére nemrégiben előrelépések történtek. Hong Zhang és munkatársai kifejlesztettek egy univerzális ko-oldószer hígítási stratégiát, amely jelentősen csökkenti a mérgező ólomhulladék termelését, csökkenti a perovszkit anyagok felhasználását és 70%-kal csökkenti a gyártási költségeket.

Ez a változat ráadásul több mint 24%-os energiaátalakítási hatékonyságot (PCE) ér el laboratóriumi cellákban és 18,45%-ot a modulokban, ami utat nyithat a jövőben biztonságosabb és hatékonyabb perovszkit napelemek felé.

Magyarországon hol lehet perovszkit napelemet venni?

Egyelőre még nem igazán kapható sehol perovszkit napelem. Most még ott tartunk, hogy különböző rendezvényeken mutatják be, mi várható a közeljövőben.

A müncheni Intersolar Europe szakmai rendezvényen a kínai GCL Technology lenyűgöző eredményekkel rukkolt elő legújabb perovszkit napelem technológiájával. A bejelentés szerint az új perovszkit-szilícium tandem modul mindössze 7,5 centbe kerül wattnyi teljesítményért, ami a hagyományos kristályos szilícium modulok árának (15 cent/W) csupán a fele.

A GCL szóvivője, Martin Wang elmondta, hogy az innovatív modul teljes mértékben megfelel az IEC szabványoknak, vagyis a degradációs viselkedése ugyanolyan megbízható, mint a jó öreg szilícium társaiké. A tömeggyártás beindulása 2025 végére várható.

Wang azt is hozzátette, hogy a GCL perovszkit moduljait már tavaly év végén beépítették a China Three Gorges 1 megawattos naperőművébe. Ez az első lépés a technológia terepi tesztelésében. A GCL célja, hogy az év végéig több hasonló méretű projektet valósítson meg különböző környezetekben, hogy a perovszkit napelemek teljesítményét a gyakorlatban is igazán alaposan megvizsgálják. Hiszen csak így derülhet ki, mire is képesek ezek az új generációs napelemek!

A rendezvényen a GCL kétféle perovszkit napelemet mutatott be: a hagyományos perovszkit modult és a forradalmian új tandem modult. A tiszta perovszkit modul hatékonysága kissé meghaladja a 19%-ot, míg a tandem modulé már 26% fölött van.

Ez azt jelenti, hogy a perovszkit napelemek új mércét állítottak fel a hatékonyság terén! A GCL eredményei alapján kijelenthetjük, hogy a perovszkit napelem technológia egyre közelebb kerül ahhoz, hogy forradalmasítsa a napenergia-ipart. (Mondhatnánk, hogy a perovszkit napelem tényleg magasra tette a lécet a hatékonyság terén!)

Amikor tehát a különféle „jóárasított” kínai áruzáhakban perovszkit napelemeket kínálnak nekünk, tudhatjuk, hogy finoman szólva is erősen kérdéses, valóban azt kapnánk-e a pénzünkért, amit – ha még csak most kezdődtek az első valósi üzemi tesztelések.

Mennyibe kerül a perovszkit napelem?

Az elektromos áram fajlagos költsége (LCOE) egy kulcsfontosságú elemzés, amely az áramtermelő technológiák költséghatékonyságát értékeli. Ez a mérőszám különösen fontos a megújuló energiaforrások összehasonlításához az energiaátmenet keretében.

A perovszkit napelemek (PSCs) ígéretes, új technológiaként jelennek meg, és jelentős piaci részesedést szerezhetnek a fotovoltaikus (PV) szektorban, különösen azokban a régiókban, ahol nem lehet kristályos szilíciumot gyártani. Azonban, mint sok feltörekvő technológia esetében, a piacra való belépésük még mindig spekulatív.

Ebben a cikkben különféle modelleket vizsgáltak a PSC-k LCOE-jének értékelésére, kiemelve a teljesítmény, stabilitás és gyártási költségek hatásait. Megvizsgáljuk a laboratóriumi rekordot tartó eszközök és az ipari gyártósorokon készített modulok közötti különbségeket.

A degradáció kulcsszerepet játszik a PSC-k kereskedelmi forgalmazásának akadályozásában, emellett a gyártási költségek és az ellátási lánc problémái is jelentősek. Elemzésünk szerint a PSC-k LCOE-ja 3–6 cent (USD) között mozog kWh-nként, ami versenyképes a vezető szilícium technológiákkal.

A jövőbeni kihívások közé tartozik az LCOE számítások finomítása, különös tekintettel a hőmérsékleti hatásokra. (Mert ugye, a perovszkit napelemek nem igazán szeretik a forró nyári napokat.) Becslések szerint a perovszkit napelemek LCOE-ja 4–6 cent (USD) között mozog majd kWh-nként.

Természettudatos megoldásnak számít-e a perovszkit napelem?

Ahogy fentebb írtuk, egészen friss, 2024-es hír, hogy kutatók áttörést értek el a stabil n–i–p monolitikus perovszkit/szilícium tandem napelemek fejlesztésében, amelyek hatékonysága meghaladja a 29%-ot. Az új megközelítés a kétoldalú polikristályos szilícium/szilícium-dioxid passziváló kontaktusos szilícium cellákon alapul, amelyek olcsóbbak és fenntarthatóbbak a hagyományos heterojunkciós (HJT) szilícium napelemeknél.

A kutatók kifejlesztettek egy új, adalékanyag-mentes két rétegű lyuktranszport réteget (HTL) a perovszkit felső cella számára, amely növeli a cella hatékonyságát. Az új szerkezet javítja a nyitott áramkör feszültségét és a kitöltési tényezőt.

A tandem napelemek több mint 29%-os teljesítménykonverziós hatásfokot értek el, és kivételes hő- és fényállóságot mutattak. Eredeti teljesítményüket megőrizték 1750 órás fény-sötét ciklusok után, és az eredeti hatásfokuk 89%-át megtartották 1782 óra után.

Az áttörés előrevetíti az ipari szinten is életképes perovszkit/szilícium tandem napelemek nagyüzemi gyártásának lehetőségét, és kulcsszerepet játszhat a fenntartható energiaforrások felé való átállásban.

Összefoglalás: megéri-e, jó-e a perovszkit napelem?

A perovszkit napelemek egyenesen a napenergia jövőjének csúcsára törnek, és minden jel arra utal, hogy hamarosan lepipálják a jó öreg szilícium alapú társaikat mind hatékonyságban, mind pedig pénztárcabarát mivoltukban. A kutatók szorgalmasan dolgoznak ezen az ígéretes technológián, ami nemcsak a napenergia világát forgatja fel, hanem más területeken is nagy hatással lesz, például az elektromos autók akkumulátorainál vagy az okos szenzoroknál.

A perovszkit napelemek igazi áttörést jelentenek a megújuló energiák világában. Hihetetlenül gyorsan fejlődnek, egyre hatékonyabbak lesznek, ráadásul a gyártásuk is egyre olcsóbb. Emellett rendkívül sokoldalúak, így számos területen alkalmazhatók.

Mindezek alapján bátran kijelenthetjük, hogy a perovszkit napelemek remek megoldást kínálnak a fenntartható energia iránti egyre növekvő igények kielégítésére. És ha már a jövőről beszélünk, a napenergia világa egyre fényesebbé válik, még a perovszkit napelem is elismerően bólogatna erre.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, tartalom specialista. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.