Perovszkit–szilícium tandem napelem: jöhet a 29%-os hatásfok

A perovszkit–szilícium tandem napelem új szintre emelheti a napenergia-termelést: a 29 százalék feletti hatásfokkal ugyanazon a felületen jóval nagyobb teljesítmény válhat elérhetővé.

A napelemek fejlődéséről szóló hírekben évek óta egymást követik a laboratóriumi hatásfokrekordok, de ezekből ritkán lesz rövid időn belül gigawattos ipari termelés. Most azonban éppen ez a határ kezd elmosódni. Az indiai GREW Solar és az amerikai Caelux ötéves kereskedelmi együttműködése akár 4 GW perovszkit–szilícium hibrid tandem modul gyártását alapozhatja meg, méghozzá 29 százalékot meghaladó megcélzott modulhatásfokkal. A technológia különlegessége nem egyszerűen abban rejlik, hogy újabb néhány százalékpontot présel ki a napsugárzásból. Sokkal fontosabb, hogy a már kiépült szilíciumalapú napelemipart próbálja továbbfejleszteni egy második, perovszkitból készülő energiatermelő réteggel. Ha ez ipari méretek között is működik, ugyanakkora tetőből vagy naperőművi területből lényegesen több villamos energia nyerhető ki, miközben nem kell teljesen újragondolni a ma működő gyártási infrastruktúrát.

A szilícium egyre közelebb kerül ahhoz a falhoz, amelyet már nehéz áttörni

A mai napelemipar alapját továbbra is a kristályos szilícium adja, és ennek jó oka van. Az elmúlt évtizedekben elképesztően kiforrott gyártási lánc épült köré, miközben folyamatosan javult a cellák hatásfoka, csökkent az anyagfelhasználás és zuhant az előállítás költsége. Csakhogy minden egyátmenetes napelemnek van egy fizikai problémája: ugyanazzal a félvezetővel kellene optimálisan hasznosítania a Napból érkező, nagyon különböző energiájú fotonokat. A szilícium tiltott sávszélessége adott, ezért bizonyos fotonok energiájának egy része hőként elveszik, más, túl kis energiájú fotonokat pedig a cella nem tud megfelelően hasznosítani. Emiatt a további fejlődés egyre nehezebb: minden újabb százalékpont megszerzése komolyabb mérnöki munkát és egyre kifinomultabb cellaszerkezetet követel.

Ez azért fontos, mert a napelemipar következő versenye már nem feltétlenül arról szól, hogyan lehet még olcsóbban legyártani ugyanazt a négyzetméternyi modult. Egyre nagyobb jelentősége lehet annak, mennyi watt teljesítményt lehet elhelyezni ugyanazon a felületen. Egy családi ház teteje nem lesz nagyobb attól, hogy olcsóbbá válik a napelem, ahogyan egy ipari csarnok vagy egy korlátozott területű naperőmű helyigénye sem tűnik el. A magasabb modulhatásfok ezért rendszerszinten is értéket teremt: ugyanahhoz a teljesítményhez kevesebb modul, tartószerkezet, kábel, csatlakozó és telepítési munka szükséges. A hatásfok így nem pusztán laboratóriumi presztízsszám, hanem közvetlenül befolyásolhatja egy teljes beruházás gazdaságosságát.

A szilícium tehát nem azért kerülhet háttérbe, mert rossz technológia lenne, hanem éppen azért érdemes mellé új anyagot társítani, mert rendkívül jó ipari alapot biztosít. Ez a tandemkoncepció egyik legfontosabb felismerése. Ahelyett, hogy lecserélnék a több évtized alatt tökéletesített szilíciumgyártást, egy második fényelnyelő réteggel egészítik ki. A GREW Solar esetében az alapot az N-típusú TOPCon technológia adja, amelyhez a Caelux perovszkitalapú energiatermelő üvegét kapcsolják. Így két különböző abszorber dolgozhat ugyanabban a modulban. Ez lényegében olyan, mintha a napsugárzás feldolgozását két, eltérő feladatra optimalizált motor között osztanánk szét, ahelyett hogy egyetlen félvezetőtől várnánk el a teljes spektrum hatékony kezelését.

A perovszkit nem leváltja a szilíciumot, hanem ráül a vállára

A perovszkit kifejezés ebben az esetben nem egyetlen konkrét vegyületet, hanem egy jellegzetes kristályszerkezetű anyagcsaládot jelöl. Fotovoltaikai szempontból különösen izgalmassá az teszi, hogy összetételének változtatásával az anyag optikai és elektronikai tulajdonságai, köztük a tiltott sávszélesség is hangolható. Ez hatalmas előnyt jelent a szilíciummal szemben, amelynek körülbelül 1,1 elektronvoltos sávszélessége lényegében rögzített. A tandem napelem felső perovszkitcellája ezért úgy tervezhető meg, hogy elsősorban a nagyobb energiájú fotonokat hasznosítsa, miközben az alatta található szilíciumhoz továbbengedi a számára kedvezőbb hullámhosszúságú fényt. A két réteg nem ugyanazért a fotonért versenyez, hanem felosztja egymás között a napsugárzás spektrumát, és ezzel csökkenti az egyetlen abszorber használatából eredő energiaveszteségeket.

A koncepció egyszerűnek hangzik, a megvalósítása azonban egyáltalán nem az. A felső cellának elegendő fényt kell elnyelnie ahhoz, hogy érdemi elektromos teljesítményt termeljen, közben viszont megfelelően átlátszónak kell maradnia ahhoz, hogy az alsó szilíciumréteg is dolgozhasson. Emellett össze kell hangolni az elektromos tulajdonságokat, az érintkezőrétegeket, a fénykezelést és a modul teljes optikai szerkezetét. A laboratóriumban mindezt néhány négyzetcentiméteren optimalizálni egészen más feladat, mint nagy méretű üvegen, ipari gyártósoron, több millió azonos minőségű terméknél megismételni. A tandem napelemek valódi áttörését ezért nem feltétlenül egy újabb cellarekord jelenti majd, hanem az a pillanat, amikor a technológia stabilan és megfelelő kihozatallal gyártható hagyományos modulméretben.

Éppen ezért figyelemre méltó a Caelux megközelítése. A vállalat technológiájának lényege, hogy a perovszkit energiatermelő réteget egy üvegalapú komponensben integrálja, amelyet meglévő szilíciumtechnológiával lehet párosítani. A GREW Solar a saját N-típusú TOPCon platformjával, köztük nagy formátumú G12R termékeivel kívánja kombinálni ezt a megoldást. Az iparág számára ez talán fontosabb, mint egy teljesen új napelemarchitektúra megjelenése. Ha ugyanis egy tandemtechnológia úgy vezethető be, hogy közben a gyártók megtarthatják drága cella- és modulgyártó infrastruktúrájuk jelentős részét, a váltás gazdasági akadálya lényegesen alacsonyabb lehet. Nem új napelemipart kell felépíteni, hanem a meglévő ipart kell egy új energiatermelő réteggel továbbfejleszteni.

Mit jelentene a gyakorlatban a 29–30 százalékos modulhatásfok?

A százalékok önmagukban könnyen elvontnak tűnnek, ezért érdemes négyzetméterben gondolkodni. A szabványos, 1000 watt/négyzetméteres besugárzási feltételt leegyszerűsített összehasonlítási alapként használva egy 22 százalékos hatásfokú modul négyzetméterenként körülbelül 220 watt névleges teljesítménynek felel meg. Huszonkilenc százaléknál ugyanez nagyjából 290 watt. Vagyis azonos felületen körülbelül 32 százalékkal nagyobb névleges teljesítmény férne el. Egy 50 négyzetméternyi ténylegesen hasznosítható tetőfelület esetében az elméleti összehasonlítás így körülbelül 11 kilowatt helyett 14,5 kilowatt beépíthető modulteljesítményt jelentene. A valós energiatermelést természetesen a tájolás, hőmérséklet, árnyékolás, inverter, időjárás és számos további tényező módosítja, de a felületi teljesítménysűrűség előnye ettől még nagyon is kézzelfogható.

Naperőművi méretekben még érdekesebb a helyzet. A magasabb hatásfok nem jelenti automatikusan azt, hogy egy 29 százalékos modulból épített erőmű pontosan ugyanilyen arányban olcsóbb lesz, mert maga a tandem modul várhatóan drágább és összetettebb lehet. Viszont a nagyobb teljesítménysűrűség csökkentheti az adott megawattnyi kapacitáshoz szükséges modulok számát és az ezekhez kapcsolódó egyes rendszerköltségeket. Kevesebb modulhoz kevesebb rögzítési pont, csatlakozó és bizonyos esetekben kevesebb kábelezés vagy kisebb területigény társulhat. Különösen ott válhat ez értékessé, ahol a földterület, a tetőfelület vagy az engedélyezhető projektméret szűk keresztmetszet. Ebben az értelemben a tandem technológia nem csupán jobb napelemet ígér: ugyanabból a fizikai infrastruktúrából próbál nagyobb energiatermelő eszközt létrehozni.

Van azonban egy kevésbé látványos következmény is. A napelem árát gyakran wattban adjuk meg, miközben egy beruházás számos költségeleme inkább darabszámhoz vagy területhez kötődik. Egy munkásnak például fel kell szerelnie a modult attól függetlenül, hogy az 450 vagy 600 wattot tud, egy tető négyzetmétere pedig ugyanannyiba kerül akkor is, ha kevesebb vagy több villamos teljesítményt hordoz. Minél több watt kerül tehát egyetlen modulba és négyzetméterre, annál nagyobb teljesítmény között oszlanak meg bizonyos fix költségek. Ez magyarázza, miért lehet gazdaságilag fontos a 29–30 százalékos modul akkor is, ha kezdetben többe kerül a hagyományos szilíciumterméknél. A valódi verseny végül nem feltétlenül a modul darabáráról, hanem a megtermelt villamos energia teljes életciklusra vetített költségéről szól majd.

A 4 GW-os terv igazi tétje: túléli-e a perovszkit a gyárat és a való világot?

A GREW Solar és a Caelux megállapodása azért különösen érdekes, mert a tandemtechnológiát már nem pusztán kutatási projektként kezeli. A felek ötéves kereskedelmi együttműködésben akár 4 GW-nyi hibrid tandem modullal számolnak, miközben a Caelux globálisan már 19 GW szerződött volument közölt modulgyártó partnereivel. A GREW ráadásul meglévő, gigawattos léptékű gyártási infrastruktúrára építene. A szakmai beszámolók szerint az indiai kereskedelmi termelés indulását 2028-ra tervezik. Ez még nem jelenti azt, hogy néhány éven belül minden hagyományos napelemet tandem modul vált fel, de a nagyságrend fontos jelzés: a fejlesztés következő kérdése már nem kizárólag az, hogy működik-e a fizika, hanem az is, hogy működik-e a beszállítói lánc, a gyártási kihozatal és a minőségbiztosítás gigawattos léptékben.

A perovszkit számára ugyanis a hatásfok csak az egyik vizsga. Legalább ilyen fontos a hosszú távú stabilitás. Egy kereskedelmi napelemtől nem néhány száz vagy néhány ezer órányi laboratóriumi működést várnak el, hanem évtizedes kültéri élettartamot napsütésben, hőségben, fagyban, párában és folyamatos hőmérséklet-változás mellett. A perovszkitok érzékenysége és az interfészek hosszú távú viselkedése ezért továbbra is központi kutatási és mérnöki kérdés. Ehhez jön a nagy felületű bevonatok egyenletessége, a kapszulázás, a termelési sebesség, a selejtarány és végül a bankolhatóság problémája. Egy beruházó számára ugyanis nem elég, hogy egy modul az első napon 29 százalékos hatásfokot ér el: azt is tudnia kell, mennyi teljesítmény marad belőle tíz, húsz vagy huszonöt év múlva.

Éppen ezért a következő évek legfontosabb perovszkithírei valószínűleg kevésbé látványosak lesznek, mint az eddigi rekordbejelentések. A valódi mérföldkövek a gyártósorok indulása, a nagy felületű modulok kihozatala, a kültéri degradációs adatok, a tanúsítások, a garanciák és mindenekelőtt a tényleges árak lesznek. Ha a tandem modulok mindezeken a területeken versenyképesnek bizonyulnak, a fotovoltaika fejlődésében érdekes fordulat következhet: a következő nagy ugrást nem a szilícium leváltása, hanem annak továbbépítése hozhatja el. A 29 százalékos napelem ezért önmagában nem forradalom. Az lenne az igazi fordulat, ha ezt a hatásfokot milliószám gyártott, megfizethető és évtizedekig működő modulok is tartani tudnák. A GREW Solar és a Caelux projektje éppen ennek az ipari próbának lehet az egyik fontos szereplője.