Sikerült az áttörés? Lengyelországban már gyártják a forradalmi technológiájú napelemet

Amikor Olga Malinkiewicz, a Barcelonai Egyetem lengyel származású fizikus doktorandusza először hallott a perovszkit napelemekről, rögtön arra gondolt, hogy ez lehet az a technológia, ami forradalmasíthatja az energiatermelést, és az életünk számos más területét is. Minden mást félretéve nekilátott a továbbfejlesztésének, és kutatómunkája 2013-ban áttörést ért el: sikerült szobahőmérsékleten előállítania egy olyan működőképes cellát, ami flexibilis hordozófelületre nyomtatható. A fiatal kutatónőt az eredményekről szóló publikáció megjelenése után két lengyel befektető kereste meg, akik osztoztak a jövőről alkotott víziójában, így a következő évben közösen megalapították a Saule Technologies nevű startupot. A balti napistennőről elnevezett varsói székhelyű cég nem kisebb célt, mint az alig néhány éve létező technológia piacra juttatását tűzte ki maga elé. A név kötelez, ugyebár.

Olga Malinkiewicz. Kép: AFP

Ezt azonban könnyebb mondani, mint megvalósítani. A következő hónapokban Malinkiewicz és kollégái szinte a laboratóriumban éltek, ahonnan csak aludni jártak haza. Az idő telt, a pénz fogyott, de a potenciális befektetőket elriasztotta az a tény, hogy a kutatások még túl korai szakaszban jártak. Közeledett az a pont, amikor felélik az utolsó tartalékaikat, és fel kell adnunk az álmaikat. Malinkiewicz ekkor gondolt egy merészet, és a médiához fordult. A tévés szereplés meghozta az áttörést, a műsor után többen is megkeresték, végül a japán H.I.S.Energy Holdings tőkebefektetése tette lehetővé a munka folytatását. A megnövekedett forrásoknak köszönhetően a Saule bővíthette a laboratóriumát és a kutatók létszámát. Így néhány hónappal később el tudták készíteni az első moduljukat, ami képes volt arra, hogy egy lámpa fényéből töltsön egy mobiltelefont. Ez volt a világon az első gyakorlati felhasználása a technológiának. Az alábbi videóban Olga Malinkiewicz mesél a kezdeti nehézségekről.

A következő években tovább folytak a fejlesztések, a perovszkit napelemes modulok egyre nagyobbak és jobbak lettek, 2018-ban egy japán szállodán és egy varsói irodaépületen néhányat el is helyeztek demonstrációs célból. Időközben újabb befektetők szálltak be a cégbe, például a lengyel napelemtelepítő Columbus Energy, az így megnövekedett tőkének köszönhetően Wroclawban felépülhetett a Saule első gyára is. 2021. május 21-én pedig, a világon először, megindult a perovszkit modulok próbagyártása. Méltán nevezhetjük történelmi pillanatnak: a technológia fél lábbal még a laboratóriumban áll, de fél lábbal már a piacra lépett.

A gyár kezdeti kapacitása évi 40 ezer m² flexibilis napelemes fólia előállítását teszi lehetővé, de már a kezdeti kereslet meghaladja a termelési képességeiket. A cég weboldala szerint a fólia négyzetméterének teljesítménye elérheti akár a 170 W-ot is, a tömege 730 gramm, az élettartama „több év”, az ára pedig 50 euró körüli. Csak céges ügyfeleket szolgálnak ki. A termékeik között található napellenző, ablaküveg, és elektronikus árcédula is. Az első megrendeléseik az IoT (a dolgok internete) területéről, és az építőiparból érkeztek.

A Saule csapata igazán nemzetközi, a munkavállalói 17 országból érkeztek, a cég egyik vezetője (director of knowledge management) a magyar Forgács Dávid. Jelenleg a tőzsdei bevezetésre készülnek, az így bevont forrásokból új gyárakat szeretnének építeni Európában és Japánban.

De mi az a perovszkit?

A napelem szó egy gyűjtőfogalom, ami nagyon sok különböző technológiát takar, ahogyan azt a lenti ábra is mutatja. A hétköznapokból ismert, kristályos szilíciumon alapuló napelemeknek (bal alsó sarok) sok kihívója akad, melyek közül jelenleg a perovszkit tűnik a legígéretesebbnek.

Forrás: Saule

A perovszkit az anyagok egy olyan családja, amelyeknek közös jellemzője egy bizonyos kristályszerkezet, az úgynevezett perovszkit szerkezet, amely a nevét egy a természetben előforduló ásványról kapta, és az összetétele rendkívül változatos lehet. A föld tömegének egy jelentős részét teszik ki a különböző variánsai, de a napelemek készítéséhez szintetikus perovszkitokat szoktak felhasználni, amelyek könnyen és olcsón állíthatóak elő.

A perovszkit napelemek előnyei

A hagyományos napelemek rengeteg nyersanyagot igényelnek, gondoljunk csak arra, hogy egy modul milyen vastag és nehéz. A Szilícium lapkák előállítása magas hőmérsékleten történik (kb. 1000 °C), ami energiaigényessé teszi a folyamatot. A szilícium mellett alumínium, ezüst, üveg, ritkaföldfémek is kellenek a modulokhoz. Mivel ilyen nyersanyagigényesek, a megnövekedett kereslet alatt recseg-ropog az ellátási lánc, miközben szakértők kongatják a vészharangot: a jelenleginél sokkal több nyersanyagot kell kibányásznunk, ha napenergiára akarjuk alapozni a jövőnket.

A perovszkit modulok nyersanyagigénye csak huszada egy szilícium napelemének. Maga a cella a hajszálnál is vékonyabb, amit egy üvegfelületre, vagy egy polimer fóliára visznek fel. A napelemes fólia pedig olyan könnyű és vékony, mint egy laminált papír. A szükséges alapanyagok könnyedén beszerezhetőek, az ellátási lánc rövid, egyszerű és diverzifikált, nincs szükség ritkaföldfémekre. A perovszkit emellett alacsony hőmérsékleten, minimális energiafelhasználással állítható elő.

Kép: Saule

További előnye, hogy a nyomtatás olyan hagyományos tintasugaras nyomtatókkal történhet, amelyek könnyen beszerezhetőek, a gyártás nem igényel különleges gyártósort, és maga a termelési folyamat nagyon jól automatizálható. A nyomtatás olcsó, egyszerű, és könnyen skálázható, a tőkeköltsége pedig csak tizede a hagyományos gyártási eljárásnak. Ha mindezeket összevetjük: alacsony nyersanyag-, energia- és munkaerőigény, egyszerű ellátási lánc, akkor nincs rá igazán okunk, hogy Kínába szervezzük ki a gyártást. A helyben történő előállítás pedig jó az európai gazdaságnak, az ellátásbiztonságnak, és mivel a felhasználás helyéhez közel történik, csökkennek a szállítási költségek is.

A fentiek miatt a perovszkit napelemek gyártása potenciálisan jóval olcsóbb és környezetkímélőbb a szilícium modulokéhoz képest.

A perovszkit modulok vékonyak, könnyűek, hajlékonyak, bármilyen színben, méretben és formában gyárthatóak, és áttetszőek is lehetnek. Ez pedig rengeteg lehetőséget nyit meg számukra, olyan helyeken is alkalmazhatóak, ahol a hagyományos napelemek nem, vagy nem elég költséghatékonyan.

Ablaküvegbe integrált napelem. Kép: Saule

Mire használható?

A perovszkit nem a naperőművekben és a háztetőkön lévő napelemeket fogja leváltani, legalábbis egyelőre nem. Van ugyanakkor két olyan terület, ahol kiegészítheti őket. A szilícium napelemek teljesítménye növelhető egy perovszkitréteg segítségével. A világnak egyre több napelemre van szüksége, ami túlterheli az ellátási láncokat. Ha azonban egy nagy és nehéz napelemhez hozzáadunk egy papírvékony perovszkitréteget, amitől a teljesítménye mondjuk 20%-kal megnő, és ezt az eljárást a modulgyártók integrálni tudják a gyártási folyamatukba, akkor máris 20%-kal megnöveltük a világ napelemgyártó kapacitását, anélkül, hogy új bányákat kellett volna nyitni, vagy új üzemeket kellett volna megépíteni. A másik terület a műemléki, és a védett városkép részét képező épületek, amelyekre esztétikai okokból nem lehet hagyományos napelemet tenni. Európában rengeteg épület esik ebbe a kategóriába, melyeken sokszor nem engedélyezett a napelemek felszerelése (lásd például: Visegrád), egy láthatatlan napelemes fólia ellen azonban már nehéz lenne érvelni.

A tiszta provszkit modulokat azonban egészen más területeken is felhasználhatjuk. Rátehetjük a legkülönfélébb kütyükre, GPS-jeladókra, IoT eszközökre, mobiltelefonra, laptopra, drónra, továbbá az elektromos autókra, hajókra, repülőkre, az épületek homlokzatára és ablakaira, lámpaoszlopra, zajvédő falra, stb. Egész irodaépületeket és lakóházakat csomagolhatunk be. A telefonunk folyamatosan töltődhet, amíg fény éri, így csoda akku nélkül is jóval ritkábban kell majd tölteni. A munkahelyünk parkolójában álló autónk elég energiát szívhat magába a hazaútra, így azonos akkuméret mellett megnő a hatótáv. A perovszkit beleszőhető a ruhába, így jöhetnek az okosruhák, és a szinte soha le nem merülő hordozható okoseszközök. Végső soron pedig bármilyen felületet PV generátorrá alakíthatunk.

Sajnos nincsen rózsa tövis nélkül, ennek a rózsának pedig nagyon komoly tüskéi vannak. A perovszkit napelemek ugyanis drágák, alacsony a hatékonyságuk, környezetszennyezőek és túl rövid az élettartamuk. Tudom, hogy ez élesen szemben áll az eddig elmondottakkal, de jelenleg még ez a helyzet. Vegyük sorra a technológia előtt álló akadályokat.

Ár

A szilícium napelemek technológiája már relatíve érettnek tekinthető, ami egyszerre előny és hátrány. Az előnye az, hogy egy nagy tömegben gyártott termék jó és olcsó, a hátránya pedig az, hogy már csak graduálisan tud fejlődni. A perovszkit cellák ezzel szemben csak 2009 óta léteznek, és csupán most kezdenek kereskedelmi forgalomba kerülni. Amikor a hagyományos napelemeket a 70-es években forgalmazni kezdték, wattonként körülbelül 50 dollárba kerültek, a mostani perovszkit modulok wattonkénti ára pedig inkább olyan 50 cent körül lehet, ami azért elég biztatóan hangzik. Az új technológiák kezdeti ára mindig magas, de ahogyan felfut a termelés, meredeken csökkennek a költségek, így ez a probléma egészen biztosan el fog hárulni. A szilícium magasra tette a lécet, ezért nem véletlen, hogy a perovszkit kezdetben olyan piaci szegmenst céloz meg, mint a hordozható eszközök, ahol az ár másodlagos. Hiszen ki ne fizetne ki néhány ezer forintot azért, hogy a telefonja folyamatosan töltődjön? 

Amikor arról szoktam írni, hogy a napenergia ára továbbra is gyorsan fog csökkenni, gyakran felmerül ellenérvként, hogy a napelemek már nehezen lehetnek ennél olcsóbbak, és a tartószerkezet, valamint a munkaerő költsége is gátolja az árak további esését. Ezekben egyébként van is igazság, de pont az ilyen helyzetekben szokott megjelenni egy olyan új technológia, ami képes továbbmozdítani a defláció megfeneklett hajóját. A perovszkit egy meglehetősen takarékos technológia, ma egy napelem nagykereskedelmi ára wattonként körülbelül 20 cent, a perovszkit modulok talán már az évtized végén is csak néhány centbe fognak kerülni, és az épületeken való elhelyezésük során nincs szükségük tartószerkezetre, fúrásra, csavarozásra, a telepítés sem munkaerő-igényes, így pedig bőven tud még esni az otthoni napelemes rendszerek ára.

Hatékonyság

A Saule napelemeinek hatékonysága jócskán elmarad a szilícium napelemek képességeitől. A perovszkitnak van egy olyan rossz tulajdonsága, hogy minél nagyobb egy modul, annál kevésbé hatékony, így a jó eredményeket mindig bélyeg nagyságú cellákkal érték el. Ami viszont jó hír, hogy ezen a téren sokkal gyorsabban fejlődik, mint a hagyományos napelemek. A szilícium cellák laboratóriumi hatékonysága a 70-es években érte el a 14%-ot, és közel 40 évig tartott eljutni a 25%-ig. A perovszkit celláknak ez 7 év alatt sikerült, ma pedig már egy 1 négyzetméteres modul is elfogadható teljesítményt képes nyújtani.

Forrás: Saule

Környezetszennyezés

A legelterjedtebb összetételű perovszkitok kis mennyiségben ólmot tartalmaznak, ami a környezetbe kikerülve egy toxikus anyag, ezért aggályos a használata. Vannak azonban olyan fejlesztési irányok, amelyek az ólmot más anyagokkal, például ónnal helyettesítik. Ezeknek az alternatíváknak ma még az a hátrányuk, hogy egyik sem olyan jó hatásfokú, mint az ólomvegyület (a Saule is ólmot használ), így ezen a téren a kutatóknak még akad munkájuk.

Degradáció

A perovszkit napelemek elterjedésének legfőbb akadálya a gyors degradációjuk. A csak néhány évig használt telefonok esetében a rövid élettartam nem probléma, de a legtöbb felhasználási módnál már alapvető elvárás a hosszabb élettartam. A jelenleg használt perovszkitokok kristályszerkezete azonban túl instabil, így csak rövid ideig képesek működni. Szerencsére van fejlődés ezen a téren is, de a kutatóknak még komoly kihívásokkal kell megbirkózniuk ahhoz, hogy az elvárt 25-30 éves élettartamot elérhessük.

Szép új perovszkitos jövő?

A szilícium félvezetőkön alapú napelemeket olcsónak és jónak tartjuk, és az 50 évvel ezelőtti verziójukhoz képest valóban azok is, de a perovszkit szempontjából nézve drágák, pazarlóak és bumfordiak. A termelésük felfuttatása lassú és nehézkes, amire a közelmúltban fellépő áruhiány is rámutat. Gigafactorykat  építeni ugyanis nehéz. A postaládámba hetente annyi fillérekből előállítható színes reklámújságot dobnak be, amiből egy kisebb szobát kitapétázhatnék, mert nyomtatni azt őrült mennyiségben vagyunk képesek, így a nyomtatható napelemek gyártásának felskálázása szinte gyerekjáték. A hagyományos napelemek fejlődése exponenciális pályát írt le, de a perovszkit technológiája még ennél is gyorsabb ütemben fejlődik. Amennyiben a kutatóknak sikerül megoldaniuk az elterjedésüket akadályozó problémákat, akkor nagyon valószínű, hogy fel fogják forgatni az élet számos területét. Ha mégsem járnak sikerrel, akkor majd talán az organikus napelemek futnak be nevető harmadikként, rosszul azzal sem járnánk. Ahogyan a mondás tartja: a Földön található atomok száma véges, de a lehetséges kombinációik száma végtelen.

Elektromos autót használsz?

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.