A szerves napelemek technológiája és piaci helyzete

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 6. sz. 2005. p. 31–42.


A szerves napelemek technológiája és piaci helyzete A szerves anyagból készült napelemek elsősorban várható alacsony áruk miatt vonzzák a kutatókat, mivel oldott állapotban, nyomtatási eljárással lehet a megfelelő rétegeket kialakítani. Az eszközök hajlékonyak és könnyűek, de a fényelektromos átalakítás hatásfoka egyelőre jóval kisebb, mint a szokásos félvezetőipari eljárásokkal készülő hagyományos napelemeké. A hatásfokot befolyásoló tényezők elemzése, a várható alkalmazások.

Tárgyszavak: napelem; szerves napelem; hatásfok; folyamatos gyártástechnológia.

Más megújuló energiaforrás-hasznosítási tech-

eljárás nagy volumenű gyártást tesz lehetővé,

nológiákhoz viszonyítva a hagyományos fél-

nagy felületű bevonatokat lehetne olcsó alap-

vezetős napelemek költséges volta számottevő

anyagokból, olcsó technológiával előállítani.

hátrányt jelent számukra, de – lévén szó az

Ezeket a követelményeket az oldat formájában

egyedüli, valóban megújuló energiát hasznosí-

kezelhető szerves és szervetlen félvezető

tó, hordozható áramforrásról – mégis igen

anyagok tudnák kielégíteni. A vegyi összetétel

nagy az érdeklődés irántuk. A magas költsége-

rugalmas alakításával ugyanis a kívánt para-

ket elsősorban a drága félvezető-gyártás-

méterekkel rendelkező félvezető anyagok ál-

technológia okozza. Ebből kiindulva különö-

líthatóak elő. Ami pedig az eszközök gyártását

sen érdekes megoldás lehet fényelemeket vé-

illeti, a félvezető polimerekből készülő kijel-

kony műanyag hordozón, folyamatos techno-

zők és más, általános rendeltetésű elektronikus

lógiát alkalmazó nyomtatással, majd megfelelő

elemek gyártásában ma is alkalmazott szita,

védőbevonat kialakításával gyártani. Ez az

tintasugaras, ofszet vagy flexo nyomtatás már

31


bevált eljárásnak tekinthető. A szerves fény-

mek teljesítmény-átalakítási arányszáma ezért

elemek egyebek közt a következő előnyös tu-

alacsony, és ez jellemzi a beeső foton/áram-

lajdonságokkal rendelkeznek:

erősség arányt, más szóval a külső kvantum

• a rugalmasság és a részleges fényáteresztő-

hatásfokot (EQE, external quantum efficiency)

képesség lehetősége; • folyamatos

nyomtatási

is. Bár a magas EQE még nem garantál jó technológiával

fényelektromos energiaátalakítást, de annak

gyárthatók;

egyik előfeltétele. Szervetlen félvezetők eseté-

• nagy felületű bevonatok készíthetők;

ben az EQE értéke mindig 100%, egyfajta po-

• könnyen integrálhatók más eszközökkel;

limer réteget tartalmazó szerves félvezető esz-

• hagyományos megoldásokhoz képest a gyár-

közöknél viszont az EQE rendszerint kisebb

tásban jelentős költségcsökkenés érhető el;

mint 1%. Mint azt 1995-ben kimutatták, ha két

• jelentős ökológiai és gazdasági előnyök.

ilyen, a pozitív, illetve a negatív töltések iránt viszonylagos affinitást mutató félvezető anya-

Az energetikai piacon azonban a napelemes

got kevernek, úgy ennél több nagyságrenddel

technológiák megítélését az eszközök hatásfo-

jobb eredmény is elérhető. Az elektronaffini-

ka, élettartama és fajlagos költsége határozzák

tásban mutatkozó különbség ugyanis hajtóerőt

meg – sikeres piaci bevezetésre csak e három

kelt a kétféle anyag határfelületénél, ami ele-

követelmény egyidejű kielégítésével lenne

gendő a fény által generált elektron-lyuk párok

lehetőség. Egyéb tényezők is fontosak, de

(ún. excitonok) szétválasztásához. Amennyiben

ezekhez képest másodlagosak (rugalmasság,

a két anyagot nanoszinten (körülbelül a 10 nm-

átlátszóság stb.) Nagyon fontos tényező vi-

es mérettartományban) elegyítik egymással,

szont az, hogy a tömeges elterjedéshez mind-

úgy a határfelület kiterjed az eszköz egészére,

három követelmény egyidejű teljesítése szük-

így az összes generált elektron-lyuk pár p-n

séges – ha csak egy is nem teljesül, a termék

határfelülettel találja magát szemben, és energia

kuriózum marad, csak nagyon szűk piaci

kisugárzása mellett vagy anélkül szétválnak,

szegmenst tud meghódítani.

mielőtt újraegyesülhetnének – feltéve, hogy a töltésátvitel számottevő mértékben gyorsabb,

A szerves fényelemek koncepciója

mint a konkurens rekombinációs csatornáké. A

A szerves félvezetők többsége sajátvezető

eljutnak az elektromos kontaktusokhoz. A p- és

(intrinsic), elsődleges gerjesztésük pedig tölté-

n-típusú félvezető anyagok elegyítéséből nyert

sekhez kötődő (Coulomb) típusú. Egyfajta

alapanyagot belső heteroátmenetes kompozi-

szerves félvezető anyagból előállított fényele-

toknak is szokták nevezni.

különvált töltések aztán a megfelelő anyagon át

32


A külső kvantum hatásfok (EQE) a fény hatá-

bomlás valószínűségét. Ez különösen n-típusú

sára gerjesztett elektronoknak azt a hányadát

szerves félvezetőknél fordul elő.

képviseli, amelyek túlélték a töltésszeparálást és az átviteli folyamatokat is. A belső hetero-

Végezetül pedig megemlítendő az is, hogy a

átmenetes kompozit terminológiánál maradva

többkomponensű fényelektromos anyagokban

az EQE-t a fenti módon sikerült különböző

a fényenergia hatékony hasznosításához hatá-

kutatóhelyeken 29% és 50% közötti értékre

sos töltésszeparálásra és -átvitelre van szükség.

növelni – sőt, nemrég beszámoltak a 80%-os

Először is, a két anyagra jellemző energiasá-

szint eléréséről is. Ez utóbbi, impozánsan ma-

voknak lépcsőzetesen kell elhelyezkedniük

gas értéket a konjugált polimerek fullerénekkel

ahhoz, hogy a fény általi gerjesztést követően

való párosításával érték el.

garantált legyen a töltés-képződés (1a. ábra). A töltések abban az esetben szeparálódnak, ha

Az oldatokra alapozott technológia révén a

a donor és az akceptor anyagban a vezetési

polimer fényelemek alternatív megújuló ener-

sávok (vagy LUMO), és ennek megfelelően a

giaforrásnak is tekinthetők. Sajnos, normális

vegyérték sávok (vagy HOMO) elhelyezkedé-

napsugárzás mellett az eszköz teljesítmény-

se is oly módon tér el egymástól, hogy energe-

átalakítási hatásfoka meglehetősen alacsony:

tikai szempontból kedvező lesz a donortól az

eddig többnyire 3,5% körüli értékekről szá-

akceptor felé a töltésátvitel. Másfelől pedig

moltak be, és csak nemrég sikerült elérni az

mind a két anyagban folyamatos pályákat kell

5%-ot. Hogy a kedvező EQE mellett is ennyire

fenntartani ahhoz, hogy a töltések a kontaktu-

alacsony ez a mutató, ez főként a szerves

sok felé áramolhassanak (1b ábra). Ez rendkí-

anyagok abszorpciós képessége és a napsugár-

vül komplex morfológiát igényel a két anyag

zás frekvenciaösszetétele közötti spektrális

között, mégpedig a nanométeres mérettarto-

eltérésnek tulajdonítható. A jelenleg tanulmá-

mányban egymáshoz kapcsolódó doménekkel

nyozott szerves félvezetők ugyanis többnyire a

a töltések csapdába esésének kiküszöbölése

látható hullámhossztartományban nyelik el a

érdekében, valamint 100 nm körüli méretű,

fényenergiát, míg a napsugárzás maximális

rendezettebb szakaszokkal is, a hatékony töl-

fotonsűrűsége 700 nm körül mutatkozik. Ne-

tésátvitel lehetővé tételére. Az 1c ábrán a

hézséget okoz az is, hogy a szerves félvezetők

vékonyrétegű napelem sematikus rajza látható.

természetüknél fogva rövid élettartamúak: ha

A szerves félvezető réteg két fém elektróda

az elektronokat magasabb pályára állító ger-

között helyezkedik el. A fényelnyelés szem-

jesztő hatás éri az anyagot, úgy eközben lazul-

pontjából aktív réteg vastagsága csak néhány

nak az anyagot összetartó erők is, növelve a

100 nm.

33


a)

CB (LUMBO)

VB (HOMO) Au

donor (polimer)

akceptor (fullerén, nanorészecskék)

Al

b)

anód (Au)

c)

katód (Al, Ca)

negatív elektróda (Ca, Ba, Mg, Al vagy LiF-Al) p-típusú /n-típusú (MDMO-PPV/PCBM) pozitív elektróda (ITO/PEDOT (PANI)) hordozólap (üveg, fólia)

1. ábra Töltések keletkezése és átvitele belső heteroátmenetes fényelemekben

hv

34


A hatásfokot meghatározó tényezők

A belső heteroátmenetes napelemek keresztmetszeti képét az 1c ábra szemlélteti. A rész-

Az energiatermelés és a költségek szemszögé-

legesen fényáteresztő hordozóként általában

ből a hatásfok döntő paramétere minden nap-

használt, indiummal adalékolt ón-oxid (ITO)

elemnek, és a következő képlettel számítható:

fényáteresztő képessége a látható hullámhossztartományban ~ 90%, fajlagos vezetőképessége (ellenállása) pedig ~ 20 ohm/mm2. Az ITO

ηeff = Voc x Isc x FF / Ifény,

fölé vizes oldatból felvitt speciális vezető véahol: Voc az üresjárási feszültség (általában V),

dőréteg elejét veszi rövidzárlatok kialakulásá-

Isc a rövidzárási áramsűrűség A/m2-ben, FF a

nak és lehetővé teszi a vékonyréteg eszközök

térkitöltési tényező, Ifény pedig a beeső nap-

söntölési ellenállásának növelését. A poli-

energia teljesítménye W/m2-ben.

mer/fullerén anyagú fotoaktív réteget mintegy 100 mikrométer vastagságban szintén oldatból alakítják ki.

A továbbiak a belső heteroátmenetes szerves félvezető anyagokkal készült eszközökkel elért eredményeket összegzik. Az itt tárgyalt esz-

A negatív elektródát (rendszerint Ca/Al,

közökben az elektron-donor, a p-típusú fél-

Ba/Al, vagy LiF/Al) árnyékoló maszkon ke-

vezető szerepét poli(2-metoxi-5-3’,7’-dimetil-

resztül választják le a felületre. Az aktív tér

oktiloxi)-1,4-fenilén-vinilén

nagyságát a pozitív és a negatív elektródák

(MDMO-PPV)

átfedése határozza meg.

vagy alkil-politiofén (P3AT) játszották, míg elektron-akceptorként

[6,6]fenil-C61-vajsavAz

A hatásfokot befolyásoló tényezők közül az

MDMO-PPV, a P3AT és a PCBM olyan szer-

FF térkitöltési tényezőt napelemek esetében az

ves félvezető anyagok prototípusai, amelyek

alábbi képlet szabja meg:

metilésztert

(PCBM)

alkalmaztak.

mind kielégítik a szerves fényelemekkel szemFF = Impp * V mpp /Isc * Voc,

ben támasztott, imént vázolt követelményeket. Mindkét félvezető nagy tisztaságban és alacsony szerkezeti hibasűrűség mellett állítható

ahol Impp és V mpp az I / V görbe maximális tel-

elő, így valóban sajátvezetők (tipikus töltés-

jesítményű pontjának megfelelő áramerősség

hordozó-sűrűségük nem éri el a 1015 cm3-t) és

és feszültség, ez a napelemek diódajellemzőit

jól oldhatók sokféle szerves oldószerben.

mutatja meg.

35


Általában a nagy soros ellenállás, nemkülön-

A napelemek olyan félvezetők, amelyekben

ben a túl alacsony párhuzamos (sönt) ellenállás

fényelnyelés hatására töltéshordozók keletkez-

is az FF mérséklése irányában hat. A soros

nek, majd ezt követően a töltéshordozók fölös-

ellenállás az ohmos kontaktusok minőségének

leges energiája (fotonok esetében a hordozóra

javításával csökkenthető.

jellemző energiasávot meghaladó energia) a rácselemekkel való kölcsönhatás révén foto-

A rövidzárási áramerősség (Isc): a polimer

nok keletkezése mellett elvész. Mielőtt tehát a

napelemek

töltésbegyűjtésének

töltéshordozók rekombinálódnának, termikus

kulcsfontosságú paramétere az elektronok és a

szempontból sávjukon belül egyensúlyi álla-

lyukak mobilitása a kölcsönösen egymásba

potba kerülnek. A megfelelő töltéshordozó-

hatoló p-n típusú részekből összetevődő háló-

sűrűségek két Fermi-féle eloszlási függvénnyel

zatokban, valamint a töltéshordozók élettarta-

írhatók le – egy az elektronok, egy pedig a

ma az egyes hálózatokon belül.

lyukak (anyagszerkezeti hibák) számára. A

hatékony

részletek meghaladják ezen összeállítás kereteAz

üresjárási

feszültség

(Voc):

a

it, de elmondható, hogy az üresjárási feszült-

belső

heteroátmenetes, szerves (polimer) félvezető

ségre három jellemző van hatással:

anyagokkal készült eszközök érdekes jellem-

A félvezető anyagok változtatása

zője a szokatlanul magas üresjárási, a nyitott

Sokféle

kapcsokon mérhető feszültség.

eközben mérték a legmagasabb és a legalacsonyabb

fullerén

vegyületet

üresjárási

teszteltek,

feszültséget,

ami

Az üresjárási feszültség

PCBM-tartalmú elemeknél volt a legna-

E jelenségre magyarázatot keresve először

tartalmú eszközöknél volt a legkisebb érté-

alkoxi PPV oldatokból pörgetéses öntéssel

kű, 560 mV.

gyobb 760 mV-os értékkel, és ketolaktám-

A felső elektróda anyagának változtatása

készült egyrétegű, nagy tisztaságú polimer fényelemeket vizsgáltak, és megállapították,

Referencia elektron-akceptorként PCBM-et

hogy

diódaként

választva a negatív elektródaként Ca, Al,

(MIM) viselkednek. Csupán ezzel azonban a

Ag, illetve Au anyagokat próbáltak ki. Az

fenti jelenség még nem magyarázható, mivel

üresjárási feszültség 200 mV-nál szűkebb

polimer-fullerén/Al struktúráknál Voc 800 mV

sávban szóródott: arany elektróda esetében

körüli, illetve ennél is magasabb érték, míg a

volt a legkisebb (650 mV) míg kalciumnál

MIM szerkezeteknél csupán 400 mV.

volt a legnagyobb (814 mV).

azok

fém-szigetelő-fém

36


Az alsó elektróda anyagának változtatása

gyenge függést mutat a negatív kontaktus jelleggörbéjétől.

A p-típusú polimer kontaktus (anód) anyagául rendszerint poli(sztirénszulfonát)-tal (PSS) adalékolt poli(3,4-etiléndioxitiofén)-t

A napelem helyettesítő áramköre

(PEDOT) alkalmaznak. Nemrég kimutatták, hogy jelleggörbéje elektrokémiai módszerrel megfelelően módosítható.

A gyakorlatban felhasználható napelemekben módosítani kell az ideális helyettesítő áramkört,

A pozitív elektróda (ITO/PEDOT) jelleggörbé-

figyelembe véve a két elektróda soros ohmos

jének változása lineárisan (közel 0,8 arányos-

ellenállását és a szivárgó áramok miatti sönt

sági tényezővel) befolyásolja az üresjárási

ellenállást is (2. ábra). A feszültség/áram gör-

feszültséget, a negatív elektródáé viszont csak

bék illeszkedését numerikus módszerrel ellen-

gyengén (alig 0,1-es arányossági tényezővel).

őrizve megállapították, hogy a dióda mindegyik

Az n-típusú félvezető vegyértéksávjának mó-

esetben

dosítására a üresjárási feszültség közel 1-es

Schottky-dióda modelljéhez. Különféle techno-

arányossági tényezővel módosul. Mindezekből

lógiai módosításokkal csökkenteni lehet a soros

következik, hogy a Voc erős kapcsolatban áll az

és növelni a párhuzamos ellenállások értékeit,

n-típusú félvezető vezetési sávjával és a pozi-

ami az ideális állapothoz való közeledést, így a

tív

hatásfok növelését eredményezi.

kontaktus

jelleggörbéjével,

miközben

kitűnően

illeszkedik

I

IL

IRp

Idióda

Rp

Rs

2. ábra A szerves napelem helyettesítő áramköre

37

az

ideális


A rövidzárási áramsűrűség (Isc)

kétféle töltésszállító mechanizmus nem zavarja egymást. A térvezérelt mobilitás mérésével ki-

A belső heteroátmenetes fényelemekben a

mutatták, hogy a polimermátrixba keve-

kétféle félvezető anyagból álló, egymásba köl-

redő metanol-fullerén nem, vagy csak elha-

csönösen benyúló hálózatok segítik a kis mo-

nyagolható mértékben csökkenti a lyukak mo-

bilitású anyagokból készült kétrétegű rendsze-

bilitását.

reket korlátozó tényezők leküzdését. Az ilyen rendszerek nanoszintű morfológiájáról, illetve

A 3. ábrán toluolos vagy klórbenzolos oldat-

a fény által generált mobil töltéshordozók ke-

ból pörgetéssel előállított MDMO-PPV:PCBM

letkezését és az elektródákhoz való eljutását

vékonyrétegekről készült AFM (atomi felbon-

egyaránt megkönnyítő donor/akceptor felületi

tású mikroszkóp, atomic force microscopy)

kontaktusok optimális számáról azonban keve-

felvételeket mutatnak be, ahol egymástól egy-

sebb ismeret áll rendelkezésre. Célszerűnek

értelműen eltérő morfológia látható. A toluol-

látszik úgy elkészíteni a keveréket, hogy minél

lal készült rétegben 0,5 µm horizontális mére-

több, kevés fázisszegregált elemet tartalmazó

tű, nyilván az anyag belsejében is ugyanígy

finomszerkezet alakuljon ki az egyes metanol-

rendezett szerkezeti elemek láthatók, így ez a

fullerénekből, növelve egyben az egymással

méret jóval nagyobb, mint a rétegvastagság

összefonódó polimerláncok kölcsönhatásának

(100 nm). Mivel ugyanígy kezelt, tiszta

mértékét is. További fontos, az Isc javítása irá-

MDMO-PPV-ben e jelenség nem lép fel, nyil-

nyába mutató lépés a keverék kisebb mobilitá-

vánvalóan

sú tagja – a polimer félvezető – töltésmobili-

szegregálódott fázisról van szó. Ezzel szemben

tásának javítása.

a klórbenzollal készített rétegekben a vízszin-

itt

több

fullerént

tartalmazó

tes méretek csupán 0,1 µm-esek, ami az alkokialakult

tórészek homogénebb keveredésére utal. Ezen

metastabil állapotban a töltések diffúzió és

kívül a toluollal készült rétegek felszínének

sodródás révén haladnak át az eszközön. Az

egyenetlensége 10 nm nagyságrendű, míg a

utóbbi jelenséget az alsó és a felső elektródák

rendkívül sima klórbenzolos esetben ez csupán

között kialakult belső elektromos tér okozza.

0,1 nm. A rétegeknek ez a morfológiai külön-

Az eszköz aktív rétegében a lyukak az össze-

bözősége főként annak tulajdonítható, hogy a

fonódó polimermátrixon át, az elektronok pe-

PCBM klórbenzolban több mint kétszer job-

dig a fullerénmolekulák között átugrálva ha-

ban oldódik, mint toluolban, és ennek megfele-

ladnak tovább. Lényeges körülmény, hogy e

lően változik a polimer oldhatósága is.

A

töltések

szeparálódásával

38

0,5 µm

kiemelkedések magassága, nm

0,5 µm

kiemelkedések magassága, nm


a) 8 4 0 4 0,0

0,5

1,0 1,5 2,0 távolság, µm

2,5

0,5

1,0 1,5 2,0 távolság, µm

2,5

b) 8 4 0 4 0,0

3. ábra Letapogatással készült AFM felvételek, amelyek kb. 100 nm vastag MDMO-PPV:PCBM rétegek (súlyarány 1:4) felületi morfológiáját ábrázolják. a) Pörgetéses bevonat toluol oldatból. b) Pörgetéses bevonat klórbenzol oldatból. A képek a tényleges felületi egyenetlenségek első deriváltjának tekinthetők Ezen eltérő morfológiai felépítés fényelektromosságra gyakorolt hatásának egybevetésére az aktív réteg pörgetéssel történő kialakítása során használt oldószeren kívül (toluol vagy klórbenzol) egyező feltételek mellett napelemeket készítettek a mintákból. Az eszközök jelleggörbéit napszimulátorral megvilágítva vizsgálták. A kétféle alapanyagból készült eszközök jelleggörbéit a 4. ábra mutatja be. Az elemek üresjárási feszültsége azonos (0,82 V) volt, a klórbenzol alapú eszköz rövidzárási áramsűrűsége azonban több mint kétszerese a toluol alkalmazásával készült elemének (5,25, illetve 2,33 mA/cm2).

áramsűrűség, mA/cm2

0

-2

-4 toluolból klórbenzolból

-6 0,0 0,1

0,2

0,3 0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

feszültség, V

4. ábra Toluolos oldatból (felső görbe), illetve klórbenzol oldatból (alsó görbe) pörgetéssel készített bevonatokból kialakított aktív réteggel működő fényelemek jellemzői

39


Általánosan elfogadott tény, hogy polimer-

veszteséget okoz, közel 2 nagyságrenddel na-

láncok mentén igen gyors a töltésátvitel. Az

gyobbat a polimerekhez képest.

egyes láncok közötti átmenet viszont a töltések átugrásával kapcsolatos folyamat, ezért MEH-

A részletes vizsgálat során megállapították,

PPV rétegeken rendszerint ennél négy-öt

hogy a jelenleg használatos szerves félveze-

nagyságrenddel kisebb a töltések mobilitása.

tőkkel akár 7%-os hatásfok is elérhető, és egy-

Fullerének esetében a helyzet ettől alig eltérő,

két éven belül ilyen mutatóval működő gya-

mivel a mobilitást az egyes fullerének közötti

korlati napelemek is megjelennek majd.

töltésátvitel határozza meg. Kedvező töltés-

Amennyiben sikerül leküzdeni a fullerének

mozgékonysági értékek eléréséhez ezért a

alkalmazása miatt fellépő nagy Voc-veszteség

fullerének szorosan egymás melletti elhelyez-

problémáját, úgy 10%-os hatásfok is megvaló-

kedésére van szükség. Ha tehát lehetőleg a

sítható. Ennél magasabb értékek eléréséhez

legnagyobb mobilitással jellemezhető p- és n-

viszont szűkebb elektronátmeneti sávú anya-

típusú félvezető anyagokat párosítanak, úgy

gokra és jobb Isc-re lenne szükség.

nagy lesz a várható hatásfok.

Költségek és következtetések

A fényvisszaverődést gátló bevonat vagy fénycsapda nélkül készült eszközökben elért körülbelül 80%-os EQE-érték hathatósan de-

Miután az utóbbi években a polimer félvezető

monstrálja, hogy a belső heteroátmenetes esz-

anyagok fejlesztésében bátorító eredmények

közökkel igen jó hatásfok érhető el. A nagy

születtek, és ezek már a kereskedelemben is

EQE ugyanakkor nem párosul szükségszerűen

elérhető termékek (OLED és PLED kijelzők)

hasonló teljesítmény-hatékonysággal is, ami

formájában is testet öltenek, a megfelelő gyár-

korlátozza a polimer alapú napelemek hatásfo-

tástechnológia megítélése itt különösen fontos.

kát. A EQE adatokból már világos, hogy a

Új polimer optoelektronikai eszközök előállí-

szerves félvezetőknek a szervetlenekéhez vi-

tására mindmáig a szilícium alapú mikroelekt-

szonyítva alacsonyabb töltésmobilitása nem

ronikai elemek gyártásában használatos eljárá-

korlátozza az eszköz működését. Mint a Voc

sokat alkalmazzák, pedig az optoelektronikai

elemzése kimutatta, ezekben az anyagokban az

anyagok igazi előnyeit csak teljesen új gyártási

elméleti értékekhez közeli üresjárási feszültség

technikák, mégpedig a nyomtatás és a bevona-

érhető el. Csekély redukciós potenciáljuk miatt

tok kialakítása révén lehetne kiaknázni. Mivel

a fullerének bevitele kétségtelenül jelentős

a polimereket rendszerint folyékony fázisban, 40


főként oldat formájában dolgozzák fel, a fo-

olcsó, a nyomtatás alkalmazása a félvezető-

lyadék rögzítésére egy alkalmas hordozón,

technológiában hallatlan költségcsökkenéssel

megfelelő geometriai elrendezésben a nyomta-

járhat, ezért a fényelemek előállítási költségei-

tási technikák kínálnak kézenfekvő lehetősé-

nek csökkentésénél is ez a követendő út. Meg-

get. Lényegében a funkcionális polimer anya-

figyelték, hogy egy nyomtatással készült nap-

gok előállítására alkalmazott nyomtatás meg-

elem átlagos működése valamivel elmarad az

egyezik a papírra való nyomtatással.

egyénileg kezelt, pörgetéssel kialakított bevonatokból előállított eszközökétől, de nem nagy

A polimer napelemek nyomtatással történő

a különbség. Amennyiben továbbra is kellő

előállítására a nagy termelékenység és az ala-

figyelmet fordítanak a gyártástechnológia fi-

csony költségszint miatt van szükség. Ez egy-

nomítására, különösen a megfelelő felbontású,

szerű számítási példával is belátható, hiszen

sima és homogén rétegstruktúrák kialakítására,

egy tipikusnak mondható, 30 cm átmérőjű

úgy a nyomtatási technológia eredménye ha-

szilícium lapkákat kezelő hagyományos félve-

marosan összemérhető lesz az egyéni kezelés-

zető technológia éves produktuma területben

sel. Számításba véve azt, hogy az alapanyag-

kifejezve 88 000 m2, míg egy szokásos nyom-

árak (beleértve a hordozót és a tokozást is)

dagéppel, például egy ívre nyomtató ofszet-

előreláthatóan tovább csökkennek, a termelt

nyomdagéppel (1–3 m/s) vagy egy rotációs

mennyiségek növekedésével a szerves nap-

ofszet-nyomdagéppel (15 m/s) ugyanekkora

elemek költségszintje jóval az 1 euró/Wp alatt

felületű termék 1–10 óra alatt állítható elő.

valószínűsíthető. Az eszközök várható felve-

Tekintettel arra, hogy az alapanyag is elég

vőpiacait az 5. ábra mutatja be.

hálózattól független

egyéb

hálózati

telekommunikáció és közlekedés

távoli vidék

lakosság és kereskedelem

nagykereskedelem

hordozható és közszükségleti termékek

12%

25%

51%

1%

11%

5. ábra A fényelektromos eszközök piaci szegmensei

41


Ahhoz, hogy a szerves napelemek élettartamát

májában jelentkeznek majd (az 5. ábrán sötét-

már 5 éven túl is lehessen kalkulálni, még nem

tel jelzett alkalmazási területek). Az első gya-

áll rendelkezésre kellő mennyiségű kísérleti

korlati alkalmazásokra 3 éven belül már lehet

adat – márpedig ez hálózatra csatlakozó al-

számítani.

kalmazások esetében szükséges paraméter. Összeállította: Dr. Balog Károly

Mivel azonban ennél kevésbé szigorú követelményekkel is bőven kínálkozik alkalmazási lehetőség, más piaci szegmensek kerülhetnek

Irodalom

előtérbe. Hogy a szerves napelemek új területeken is piacra léphessenek, mindenekelőtt

[1] Brabec, C. J.: Organic photovoltaics: technology

teljesíteniük kell az ezen összeállítás elején

and market. = Solar Energy Materials & Solar

említett élettartam-, hatásfok- és költség-

Cells, 83. k. 2/3. sz. 2004. jún. 15. p. 273–292.

követelményeket. Az első alkalmazási terüle-

[2] Fairley, P.: Can organics replace silicon in PV? =

tek várhatóan közszükségleti elektronikai ké-

IEEE

Spectrum

online,

szülékekben, helyiségen belüli feladatok ellá-

http://www.spectrum.ieee.org/WEBONLY/resource

tásában és újszerű, innovatív megoldások for-

/jan04/0104npv.html

A témával kapcsolatos hasznos internetes címek: Napelemes portál, technológiai, alkalmazási és beszerzési forrásokra mutató linkekkel. = http://www.pvpower.com/ Az USA Energiaügyi Minisztériumának (DoE) hivatalos napelemes portálja. = http://www.nrel.gov/ncpv/ Az Európai Unió Bizottsága által támogatott energetikai kutatások portálja. = http://europa.eu.int/comm/research/energy/index_en.htm

42

A szerves napelemek technológiája és piaci helyzete

Recommend Documents