Eljuthatunk a tökéletes napelemig?

A Berkeley Nemzeti Laboratórium Anyag Tudományi Osztályának kutatói a Ritsumeikan Egyetem kristálynövesztő csapataival együtt dolgozva rájöttek, hogy az irídium-nitrid félvezető kötéstávolsága nem 2 elektronvolt, mint ahogy azt eddig hitték, hanem csupán 0,7 eV. A felfedezés annyit jelent, hogy ötvözetek egyszerű rendszere, mely irídiumot, galliumot és nitrogént egyesít, gyakorlatilag képes a napfény teljes spektrumát elektromos árammá alakítani, az infravöröshöz közeli tartománytól egészen az ultraibolyán túl.

"Olyan mintha a természet alkotta volna ezt az anyagot, hogy megegyezzen a nap spektrumával" - mondta Wladek Walukiewicz, a projekt vezetője, ami egy egyszerű kutatásnak indult ám végül egy nagy értékű gyakorlati alkalmazáshoz vezette el a csapatot. Ha a napelemek elkészíthetők ebből az ötvözetből, amellett hogy durva, viszonylag olcsó és a valaha előállított leghatékonyabb.

Számos tényező korlátozza ugyanis a fényérzékeny cellák hatásofokát. A szilícium például olcsó, ám a fény elektromossággá történő átalakítása során az energia nagy része hő formájában veszendőbe megy. A napelemek között a leghatékonyabb félvezetők a periódusos rendszer III. csoportjában található elemek, mint az alumínium, gallium és irídium ötvözete az V. csoport elemeivel, mint a nitrogén és az arzén.

A napelemek legalapvetőbb korlátja az elkészítéséhez szükséges félvezető kötéstávolsága. A kötéstávolságnál kisebb energiájú fotonok átcsusszannak, például a vörös fény fotonokat nem nyelik el a nagy kötéstávolságú félvezetők, miközben a kötéstávolságnál nagyobb energiájú fotonok elnyelődnek - például a kék fény fotonok egy alacsony kötéstávolságú félvezetőben - energiafeleslegük pedig hőként távozik. Hatásfokukat tekintve a mostani napelemek a fény mindössze 25-30 százalékát képesek elektromos energiává alakítani. A kutatók és a gyártók rengeteg időt öltek ennek növelésébe, ám egyre bonyolultabbá és problémásabbá váltak a fejlesztések. A könnyebb és jobb megoldás első lépése Walukiewicztől és munkatársaitól származik, akik pont a probléma ellentétét tanulmányozták, azaz hogyan használják fel a félvezetők az elektromosságot a fény kibocsátáshoz.

"Az irídium-nitrid tulajdonságait vizsgáltuk, a LED egyik összetevőjét" - mondta Walukiewicz. A vörös fényű LED-ek évtizedek óta jól ismertek, de csak a kilencvenes években jutottak el odáig, hogy egy új generációjú, széles kötéstávolságú LED megjelenjen, ami képes a spektrum kék végén található fény sugárzására, ami irídium gallium nitridből készült. 3,4 eV kötéstávolsággal a gallium nitrid láthatatlan ultraibolya fényt bocsát ki, azonban amint a gallium egy részét kicserélték irídiumra, lila, kék és zöld színeket sikerült előállítani. A Berkeley kutatói arra gyanakodtak, hogy ugyanez az ötvözet képes hosszabb hullámhosszakat is kibocsátani, ha az irídium arányát növelik. "Annak ellenére, hogy az irídium-nitrid kötéstávolsága állítólag 2 eV, senki sem volt képes fényt nyerni belőle 2 eV-on" - mondta Walukievicz. "Minden igyekezetünk kudarcba fulladt."

Hogy a lehető legjobb irídium-nitrid mintákhoz jussanak, a Berkeley kutatói összefogtak a Cornell és a Ritsumeikan Egyetemmel, ahonnan tökéletesen tiszta kristályokkal látták el a kutatókat, ám ezzel együtt sem sikerült 2 eV-on fénykibocsátást produkálniuk.

"Amint azonban alacsonyabb kötéstávolságon néztük egy pillanat alatt rengeteg fényt nyertünk" - mondta Walukievicz.

A csapat hamar megállapította, hogy az ötvözet kötéstávolság szélessége egyenletesen és folyamatosan nő, ahogy az arány az irídium felől a gallium irányába tolódik, egészen addig - lefedve a nap spektrumának minden részét - míg a gallium-nitrid el nem éri a 3,4 eV-os értéket.

Első pillantásra az ötvözet nem tűnik kézenfekvő választásnak a napcellákhoz. Kristályai tele vannak hibákkal, négyzetcentinként több milliárd is előfordulhat. Általában az ilyen hibák tönkre teszik a félvezető optikai tulajdonságait, foglyul ejtik a töltéshordozókat, és energiájukat hőként szórják szét. A LED-ek tanulmányozása során azonban a Berkley kutatói felfedezték, amikor az ötvözetben az irídium összeáll a galliummal, irídiumban gazdag koncentrátumot hagy maga után, ami rendkívüli hatékonysággal bocsát ki fényt. Ezt a tényezőt kívánják felhasználni a napelemek esetében is.

Hogy kihasználják az ötvözet közel tökéletes összhangját a spektrummal egy több csomópontú, különböző összetételű rétegekkel rendelkező cellára van szükség. Két irídium nitrid réteg, egyik 1,7 eV kötéstávolságra hangolva, míg a másik 1,1 eV-on, elérheti az elméleti 50 százalékos maximum hatásfokot, vagy nagyon sok, kötéstávolságukban kis eltérésekkel rendelkező rétegekkel ellátott cellákkal akár 70 százalék fölé is juthatnak.

A LED-ek esetében az ötvözet sikere mindenesetre reményt keltő. "Ha működik, a napelemek annyira hatékonyak és viszonylag olcsók lesznek, hogy forradalmasíthatják a napenergia felhasználását nem csupán az űrben, de itt a Földön is" - összegzett Walukiewicz.