Kép: Depositphotos/maxterdesign

A megújuló energiákat is osztályozzuk. A nap­ener­gia elsődleges ilyen energiaforrás, hiszen több megújuló energia is a napenergia hatására vezethető vissza. A napenergiából eredeztethető a vízenergia egy része is. A folyók felduzzasztásával nyert vízenergia a csa­padékkörforgásnak köszönhető, amit a napenergia tart fenn. De ugyanígy a szélenergia egy része, valamint a felülethez közeli földhő is a napenergiára vezethető vissza. Tehát ha lehet, célszerű a primer energiaforrást használni.

A Napunk úgy működik, mint egy hatalmas fúziós reak­tor, melynek energiája sugárzással jut el a Földre. A Nap­ban hidrogén alakul át héliummá. Ez a fúzió már év­mil­liárdok óta működik, és a Nap anyagának döntő többsé­gét még mindig a hidrogénatomok alkotják. Vagyis a földi élet szempontjából joggal jelenthetjük ki, hogy a Nap ki­merít­hetetlen energiaforrásunk.

A napenergiát többféleképpen is hasznosíthatjuk. Napkollektorral termikus átalakítás történik, például vizet melegíthetünk vele, vagy koncentrátoros megoldással például napkohót működtethetünk, vagy termelhetünk gőzt turbinahajtásra. Van egy nagyon alkalmas elektro­nikus eszköz, az úgynevezett napelem, melyre ha rásüt a Nap, villamos energia termelődik. Itt kell megjegyez­nünk, hogy a villamos energia a legsokoldalúbban felhasználható energiafajta. A termikus energiából csak nagy veszteséggel állítható elő elektromos, optikai vagy mozgási energia. Az elektromos energiára ez nem igaz. Ráadásul a napelem gondozásmentes eszköz, nincsen benne mozgó alkatrész, ami elkophatna. A napelem egy tartós félvezető eszköz, amely élettartamát, kivitelét tekintve kiválóan alkalmas építőipari felhasználásra is.

A napenergiát többféleképpen is hasznosíthatjuk.

A világűrben különösen nagy segítség, mivel itt egyetlen folyamatos energiaellátást a napsugárzás biztosít. A műholdak, az űrállomások energiaellátását napele­mek biztosítják. 

A műholdak, az űrállomások energiaellátását napelemek biztosítják, ami a világűrben különösen nagy segítség, mivel itt egyetlen folyamatos energiaellátást a napsugárzás biztosít. (Kép: Depositphotos/cookelma)

Az űrkutatás komoly tudományos háttérrel dolgozik. Ez megmutatkozik az egyre ellenállóbb és egy­re nagyobb hatásfokú napelemek megjelenésében is. Ahogy az űrkutatás számára kifejlesztett teflon és más dolgok, úgy a világűri napelemek is megjelentek a földi alkalmazásban. Tehát a földi alkalmazású napelemfejlesztések­nek erős hátszelet ad a tudományosan és financiálisan kellően megtámogatott űrbéli megfelelője.

A napelem működése és fajtái

A napelem működését a legegyszerűbben egy pn-átme­net segítségével magyarázhatjuk el. A pn-átmenetről rö­viden: az anyagokat elektromos szempontból osztályozhatjuk fémek, félvezetők és szigetelők szerint. A fémek vezetik az elektromosságot; a szigetelők nem vezetik. A félvezetők bizonyos körülmények között vezetik vagy nem vezetik. 

Ha visszaemlékszünk a fizikaórán tanultakra, tudhatjuk, hogy az atommagok körül energiaszintek vannak, amikben lehetnek elektronok, de lehetnek üresek is. Egy sokatomos szilárdtestben ezek az energianívók – a Pauli-elvnek megfelelően – sávokká szélesednek. A betöltöttség és a betöltetlenség határán történnek a fontos dolgok. Ha a maghoz közelebbi betöltött és a távolabbi betöltetlen sávok átlapolnak, akkor az anyagok jól vezetik az elektromosságot. Azokat nevezzük fémeknek. Tehát a legkülső elektronok szabadon mozognak az anyagban. Ha ezek a sávok nagyon távol vannak egymástól, akkor az elektronok mind kötöttek, nincs remény, hogy a kötöttből a szabadabb állapotba kerüljenek. Ezek az anyagok nem vezetnek, ezeket nevezzük szigetelőknek. Ha ezek a sávok megfelelően közel vannak egymáshoz, akkor bizonyos behatásokra vezetővé válhatnak. Elektron kerülhet a betöltött nívóból a betöltetlenbe. Ezeket az anyagokat nevezzük félvezetőknek. 

A félvezető-tulajdonságok to­vább módosíthatók adalékolással. Ha olyan anyaggal adalékolunk, amelynek eggyel több a vegyértékelekt­ron­ja, mint a befogadó anyagnak, akkor ebből válik az elektronvezetésű n-típusú félvezető. Ha az adalék ato­mok­nak eggyel kevesebb a vegyértékelektronjuk, mint a befogadó anyagnak, akkor ebből lesz az elektronhiány-vezetésű p-típus. Ezeket szorosan egymás mellé téve jön létre a fent említett pn-átmenet, azaz a dióda. A napelem ilyen tekintetben egy speciális dióda. Megvilágítás hatására szabadon mozgó töltéshordozók generálódnak benne, amit a pn-átmenet elektromos erőtere szétválaszt. Az elektronokat az egyik oldalra, az elektronhiányokat a másik oldalra tereli. Kivezetéssel ellátva az eszköz úgy működik, mint egy galvánelem. A legismertebb félvezető a szilícium. Ebből vannak a mikroprocesszorok, de az első napelemeket is ebből az anyagból készítették. Azóta más anyagok is teret nyertek. 

A legismertebb félvezető a szilícium. Ebből vannak a mikroprocesszorok, de az első napelemeket is ebből az anyagból készítették. (Kép: Depositphotos/Fireflyphoto)

A fentieket összefoglalva: a napelemfunkció alapvető része, hogy generálható legyen benne töltéshordozó, akár kétféle. A másik a beépített tér, amely a generálódott töltéseket szétválasztja, amit később a kivezetéseken keresztül munkára lehet fogni. Tehát ál­talánosságban véve nem szükséges konkrét pn-átmenetes félvezető hozzá. Használhatunk hasonló működésű anyagot, átmenetet. A töltéshordozó generálódás alapja lehet nemcsak félvezető, de lehet elektrolit, vezető polimer stb. A beépített tér származhat ezen anyagok különböző átmeneteiből. Így készülhet a sátorponyvára integrálható hajlékony, polimeralapú napelem, de így készülhet – munkaponttól függően – elektromosságot vagy hidrogént termelő elektrokémiai napelem vagy a világűrben használt fantasztikus hatásfokú galliumarzenid-alapú napelem. 

A napelemfunkció alapvető része, hogy generálható legyen benne töltéshordozó.

Intézményünkben negyedszázados a napelemoktatás

Az Óbudai Egyetem egyik jogelődjében, a Kandó Kálmán Villamosipari Műszaki Főiskolán 1999-ben vezettek be egy teljes szemeszteres napelemes kurzust. Az oktatáshoz tankönyv is készült, melyet néhány évvel később – bővített formában – az Akadémiai Kiadó is megjelentetett. Ma a napelemek alkalmazásának fontossága környezetvédelmi szempontból evidencia. Ám huszonöt évvel ezelőtt igencsak úttörő kezdeményezésnek számított egy ilyen tantárgy bevezetése. Azóta több felsőoktatási intézmény is a programjába vette a napelemek oktatását, de az általunk indított tantárgy mindmáig az egyetlen teljes féléves oktatás ezen a területen. A tankönyv több kiadást is megért. (A covid-járvány idején elkészült az interneten elérhető verziója is.) A tankönyv része a Műszaki ökológia című tankönyvsorozatnak, melynek logója egy villáskulcsokból formázott fa, melynek lombkoronáját anyacsavarok alkotják. Ez látható a könyv borítóján is.

Az első magyar nyelvű napelemes szakkönyv, amelyet néhány évvel később az Akadémiai Kiadó is megjelentetett.

A tananyag átfogja a teljes szakmai területet. A napenergia hasznosítása felosztható aktív és passzív módra. A légkollektoros és üvegházhatáson alapuló építészeti megoldásokon át gépészeti napkollektoros hasznosítás is szóba kerül. Ezután következik a fotovoltaikus hatás és a napelem felépítésének kifejtése. A napelem is egy olyan félvezető eszköz, mint a dióda vagy a tranzisztor, csak a méretei nagyobbak, és a technológiája eltérő. A tárgya­lás az egyetemi fizikaoktatásra épül. A fizika- és elektronika­oktatás a félvezetők tilossávját ismerteti, de annak szerkezetét nem taglalja. Itt jelentősen túllépünk a korábbi ismereteken, hiszen ebben az esetben egy op­tikai eszköz­ről van szó, melynek működését alap­vetően befolyásol­ja a félvezető energiasáv-struktúrája. Tárgyal­juk a direkt és indirekt félvezetőket. A megértés­nél az egyszerű pn-átme­netes struktúrát vesszük ala­pul. Tárgyaljuk az eszköz karakterisztikáit, a kitöltési té­nye­zőt, a hatásfokot stb.

A következő fő részben a napelemfajtákat és technológiájukat vesszük sorra. A napelemeknek igen sok fajtája van, az eligazodást egy diagram segíti. Vannak a tömbi anyagon készültek és vannak a vékonyréteg-napelemek. Az alapanyagot tekintve vannak az elemi félvezetőkből és a vegyület-félvezetőkből készültek. A diagram ezeket is és a további osztályozási kritériumokat is tartalmazza. A kristályos szilícium alapú a legismertebb. A polikristá­lyos az alapanyag-technológiában tér el. Az előállítás jó­­­val egyszerűbb, míg a hatásfokban csak minimális a csök­kenés. A vékonyréteg-napelemek legismertebb kép­vise­lője a hidrogénezett amorf szilícium napelem. A speciális sávszerkezetnek köszönhetően ennek az abszorpciós tu­lajdonságai kiválóak. E tulajdonságok eredményeként a napszakra és a meteorológiai viszonyokra kevésbé érzékeny struktúráról van szó.

A napelemfajtákat rendszerező diagram.

Napjainkban egyre inkább feljövőben van a kalkogenid alapú napelemek kutatása, gyártása és alkalmazása. Itt a CuInGaSe₂ (réz-indium-gallium-diszelenid) és hasonló napelemeket tárgyaljuk. A napelemek között különleges helyet foglalnak el a GaAs (gallium-arzenid) és rokon anyagokból készülő napelemek. Az anyag tökéletes a napenergia-konverzióra. A világűrbe ma már csak ilyen típusú napelemeket lőnek fel. Ezekről külön fejezetben lesz szó. A napelemfajták között tárgyaljuk még az elektrokémiai napelemet, amellyel nemcsak elektromosság, hanem hidrogén is előállítható, mellyel potenciálisan a hosszú távú energiatárolás problémája lenne megoldható. Tárgyaljuk még a polimeralapú napelemeket, ezzel az igen vékony és hajlítható hordozóra felvihető napelemstruktúrákat is.

A napelemek között különleges helyet foglalnak el a gallium-arzenid és rokon anyagokból készülő napelemek.

A tantárgy tematikájának harmadik nagy területe az alkalmazásoké. A napelemes rendszereket használhatjuk szigetüzemmódban és hálózatra kapcsolt módban is. Az előbbinél az akkumulátortöltést kell megoldani, ahol az időjárás- és napjárásfüggő kimeneti teljesítményváltozás az adottság. Míg a második esetben a váltakozó áramú hálózatra kell csatlakoznunk egy inverteren keresztül. Ezek áramköri megoldása szintén mérnöki feladat. Az alkalmazások esetén a napelem kerülhet tetőre, zajvédő falra stb. Az építészeti alkalmazások között külön kategória a homlokzatra kerülő, úgynevezett függönyfalas meg­oldás. Napelem kerülhet magas- és lapostetőre egyaránt. A magastetős megoldásnál lehetséges az átszellőztetett elrendezés. Héjazatként is használható. Érdekes irány a pikkelyfedésként alkalmazás.

Építészeti alkalmazás, balra: magastetőn, héjazat szintjébe installált napelemtábla, jobbra: pikkelyfedéssel kompatibilis napelemfedés.

Általában nem szokták tárgyalni, de igen fontos szempont az esztétika. A napelemek utólagos installálása mellett egyre inkább terjed, hogy napelemmel tervezik az épületet. A napelem, ugyanúgy, mint például bármely szilikátipari termék, építőeleme egy lehetséges háznak. Ha az építész esztétikusnak találja, beletervezi a házba. Itt kell megemlíteni az amorf szilícium napelemet, amely semleges, szép felületével kiváltképp alkalmas erre a feladatra.

Hazai vonatkozásban egy igen lényeges szempontot kell megemlíteni: a hallgatóink nemcsak elméleti oktatást kaptak-kapnak, hanem projektmunkákban is részt vettek, illetve részt vesznek. Mivel nemzetközi, de hazai viszonylatban mindenképpen nagyon korán kezdtünk el foglalkozni egy átfogó napelemes oktatással, így leginkább tőlünk kerültek ki a szakemberek az egyre szaporodó hazai cégekbe, illetve azok vezetőségébe. És itt kell szólnunk még arról is, hogy néhány éve – több szakember bevonásával – elindult egy napelemes szakmérnöki képzésünk is.

Napelem a világűrben és más projektek

Ahogy a fentiekben már említettük, manapság kizárólag GaAs-alapú napelemeket juttatnak ki a világűrbe. A periódusos rendszer III. és V. oszlopába tartozó anyagokból, összetételük arányait megváltoztatva, hatalmas félvezető család alakítható ki. Ezek a természetben nem megtalálható mesterséges vegyületek, melyek a gyémánthoz nagyon hasonló struktúrákban kristályosodnak. Fizikai tulajdonságaik szinte ideálisak a napenergia-konverzióra. Ebből az anyagból a legegyszerűbb pn-átmenetes struktúra hatásfoka is messze túlszárnyalja az eddig létező legszofisztikáltabb egyéb anyagokból készült napelemek hatásfokát. Ha alacsony dimenziós vagy főleg nulladimenziós nanostruktúrát építünk bele, a hatásfok igen magasra emelhető. Itt kell megjegyeznünk azt a fontos tényt, hogy a nanostruktúrák beépítésével az előállítási technológia költségigénye nem változik. Amint azt a későbbiekben bemutatjuk: az egyre bonyolultabb, azaz nagyobb hatásfokú struktúrák előállítása során csak a technológia programja változik. Sem a berendezés, sem az alapanyagok, sem az előállítás energia- és időigénye nem változik.

A nanostruktúrák beépítésével az előállítási technológia költségigénye nem változik.

A III.-V. anyagok (például: GaAs, AlAs, InP, InGaAs, AlAsP, InGaAs stb.) családjának tipikus képviselője a GaAs. Ennek tilossávja és sávátmenete éppen ideális a napenergia konverziójára. A napelemek viszonylag alacsonyabb ha­tás­foka általában abból adódik, hogy definíció szerint az elő­állított elektromos energiát a beeső sugárzás tel­jes spekt­rumára normáljuk, míg az érzékenység az alap­anyag tilos­sávjához kötődik. Különböző tilossávú anyagok össze­integrálásával növelhetjük a spektrálérzékenységet, de ezzel drasztikusan bonyolultabb és drágább lesz a technológia is. A III.-V. anyagok nagy előnye az azonos techno­lógia, valamint nagyon precízen tudunk belőlük épít­kezni. A precizitás teszi lehetővé, hogy reprodukálható módon, nanoméretű rétegeket és más nanoobjektumo­kat hoz­zunk létre. Ez az atomréteg-pontosságú precizitás teszi lehetővé, hogy – kvantumfizikai jelenségeket kihasználva – optikai értelemben tetszőleges anyago­kat állíthas­sunk elő a maximális spektrálérzékenység elérése érdekében.

Az előállítás epitaxiás technológiával történik. Ennek a technológiának alapvetően három típusa van: a folya­dék­fázisú, a gázfázisú és a molekulasugaras. Mi ez utóbbival foglalkozunk. A berendezés egy növesztő vákuumkam­rá­ból és több kisebb kamrából, molekulaforrásokból és in situ mérőeszközből áll. A források felett blendék van­nak, amelyek szabályozzák a fűtött hordozóra jutó atomok, molekulák áramlását. Az egész berendezés számítógép­vezérelt. A hallgatóink közreműködésével készült el a szenzorokkal, léptetőmotorokkal ellátott teljes körű ve­zérlés. A növekedés in situ módon, az elektrondiffrakció fluoreszcens ernyőn való videokamerás megfigyelésével történik. Hallgatóink munkáját dicséri a teljes körű elektronikus naplózás is. A fentiek alapján már világos, hogy egy homogén réteg vagy egy nanostruktúrát tartalmazó réteg előállítása „csak” a berendezés felprogramozásának kérdése. Természetesen ezt hosszú és alapos tudományos munkának kell megelőznie. A fentiek alapján nem meglepő, hogy a berendezésfejlesztés területéről meglehetősen sok hallgatói szakdolgozat, diplomamunka született.

Hallgatói fejlesztésekkel megvalósult molekulasugár-epitaxiás (nanostruktúrás rétegépítésre alkalmas) berendezés.

A nemzetközi felsőoktatási intézmények közötti nemes versengés része a világűr meghódítása is. A világűrbe ki­lőtt első hallgatói műholdkockák (CubeSat) viszonylag nagyobb méretűek voltak, melyeket – az energiaellátást biztosítandó – szilícium napelemmel borítottak. A mai szabvány 5 centiméter élhosszúságú kocka (PocketSat). A nagyobb integráltság és kisebb felület nagyobb hatásfokú nap­elemet igényel. A műegyetemi vezetésű projekt­be felkérés alapján kerültünk be, ugyanis GaAs-alapú technológiával, napelemekkel hazai viszonylatban csak mi foglalkozunk. Sikeres részvételünket az is erősíti, hogy a mi műholdunk maradt odafent a legtovább működő­képesen, valamint más országok csapatai is igényt tartottak a napelemes közreműködésünkre.

Gallium-arzenid-alapú napelemmel fedett műholdkocka.

A tantárgyhoz más hallgatói projektek is kapcsolód­tak. Feltétlenül meg kell említeni, hogy a tantárgyunk be­vezetésével szinte egy időben jelent meg a fővárosban egy magyar kötődésű szabadalmon alapuló amorf szilícium napelemgyár. A telepítés után a gyártás beindulását még évekig tartó fejlesztések, kísérletek előzték meg. Itt nagyon jó szakmai kapcsolatokat ápoltunk. Hallgatói üzemlátogatások mellett bekapcsolódtunk a fejlesztésekbe; szakdolgozatok készültek a témából, valamint végzett hallgatóink itt tudtak elhelyezkedni. Hasonlóan jó kapcsolatokat ápoltunk más hazai napelemgyártó és napelem-összeszerelő üzemekkel.

Hallgatói projektek kötődtek alkalmazásokhoz is. Vezérlő, töltő és inverter kapcsolások tervezése és megvalósítása több sikeres szakdolgozat témája volt. Családi házas és ipari méretű napelem-installálási feladatokat oldottak meg hallgatóink, és ezek alapján több szakdolgozat is született. Az utóbbi néhány évben a zöldmezős napelemerőművek elterjedését tapasztalhattuk meg. Kézenfekvőnek látszott ezek – nem mindig üdvözlendő – építési folyamataiba is betekintést nyerni.

A napelemanyagokkal kapcsolatos területen hazai és nemzetközi tudományos kapcsolatokat ápolunk egyetemekkel, kutatóintézetekkel. Összegezve a fentieket, kijelenthető, hogy az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karának Mikroelektronikai Tanszéke megkerülhetetlen tényezője a hazai napelemes kultúrának.•

Címlapkép: Nemcsics Ákos