Nanotechnológiát használnak a jövő napelemei

A Nemzetközi Űrállomás kiterjesztett napelemekkel. Nem az igazi © Mosnews.com

A Moszkvában végzett, majd Spanyolország és Németország után az Egyesült Államokban dolgozó Victor I. Klimov (Los Alamos National Laboratory, New Mexico) a Physical Review Letters című folyóirat beszámolója szerint 2004-ben már kimutatta, hogy a napelemeket néhány nanométer méretűre csökkentve egy foton hatására két vagy több elektron szabadul fel. Klimov és csoportja most arról számolt be a Nano Letters című kiadványban: 4-7 nanométer átmérőjű ólom-szelenid kristályokban előfordult, hogy fotononként 7 elektron-lyuk pár keletkezett. A The New Scientist című angol tudományos folyóirat Klimov eredményei köré csoportosítva foglalta össze a napenergia jobb felhasználását célzó nanotechnológiai kutatások múltját és jövőjét. A napenergia kihasználása félvezetős napelemekkel csak drágán és meglehetősen rossz hatásfokkal lehetséges (a világrekord 24 százalék), ezért a technológia csak néhány speciális helyen, például az űrállomásokon terjedt el.

A washingtoni tengerészeti kutató laboratóriumban (Naval Research Laboratory) Alexander Efros anyagkutató 1982-ben elméletileg kimutatta, hogy bizonyos félvezetőkben egy foton több elektront is felszabadíthat. Az ugyanitt dolgozó Arthur Nozik 2002-ben megjósolta, hogy a nanokristályokból álló félvezetőkben gyakoribb lesz a többszörös elektronképződés, mint az ömlesztett félvezetőkben. Klimov csoportjának 2004-ben sikerült megbízhatóan észlelni a jelenséget a kvantum pontoknak is hívott félvezető nano-kristályokban.

Amikor egy becsapódó foton felszabadít egy elektront, a kristályban egy lyuknak is nevezett töltéshiány marad a helyén. Az elektron-lyuk páros együtt az exciton nevet kapta. Az egy exciton létrehozásához szükséges energia anyagfüggő, az elektronnak a kötött állapotból át kell ugrania a vezetési sávba. A foton energiája függ a fény színétől, a vörös színűnek a legkisebb, az ultraibolyának a legnagyobb az energiája. A napfényben minden szín megtalálható.

Optimális napelem készítéséhez olyan anyagot kell találni, ahol az energiasávok különbsége illeszkedik a foton energiájához, azaz a fény színéhez. A szokásos szilícium félvezető napelemek az infravörös fényhez illeszkednek, és hiába nagyobb a látható fény fotonjainak energiája, a fotonok nem tudnak több elektront kiütni, több áramot termelni, s a felesleges energia hő formájában benne marad az anyagban. Amikor viszont csak néhány atomból álló kvantum-pontokba csapódik a foton, az elektronok igen rövid időre túlgerjesztődnek, és más elektronokat is kiütnek a helyükről.

Az elektronok és lyukak a kvantumpontokban hallatlanul gyorsan újra egyesülnek, elvezetésükre még csak ötletek vannak. Egyes kutatók speciális polimer vegyületekben, mások a szén nanocsövekben reménykednek.

Nem biztos, hogy feltétlenül elektromos energiát kell a napelemnek előállítania. Elősegíthet valamilyen kémiai reakciót is, amivel üzemanyagot lehet gyártani. Az egyik forgatókönyv szerint a nanokristályokat vízbe keverik, és a napfény hatására bennük fejlődő elektromos áram hidrogénre és oxigénre bontja a vizet. A hidrogént ezután a már bevált tüzelőanyag cellákban elektromos árammá lehet alakítani – írta a The New Scientist című angol tudományos folyóirat.