A magyar fizikusok és tengerentúli társaik az általuk kifejlesztett programmal azt vizsgálták, növelhető-e a napelemek hatásfoka nanokristályokkal, vagyis nanométer méretű kristályszemcsékkel. A kutatók szerint a kérdésre a válasz: igen. "Az elméleti számításokkal sikerült kimutatnunk, hogy a szilícium egy kevéssé vizsgált speciális fajtája, az úgynevezett tércentrált köbös szerkezetű szilícium nemcsak hogy jobban nyeli el a fényt, de nanokristályos formában az ütközéses ionizáció, vagyis az a kölcsönhatás, amelynek következtében egy magas energiájú töltéshordozó több alacsony energiájú töltéshordozót hoz létre, nagyon hatékony" -- összegezte eredményeiket Gali Ádám. Mint elmondta, korábban már sikerült ilyen nanokristályokat létrehozni, arra azonban eddig senki sem gondolt, hogy a napelemek hatásfokát éppen ezekkel a nanokristályokkal lehetne növelni. Márpedig ez az olcsó és környezetbarát energia előállításának egyik kulcskérdése.
BC8 tércentrált köbös szerkezetű szilícium-nanokristály. Egy magas energiájú elnyelt foton egy magas energiájú elektron-lyuk párat kelt, ami hatékonyan bomlik le két, alacsonyabb energiájú elektron-lyuk párra - olvasható a közleményben. Az elektron és lyuk megtalálási valószínűségét a piros és kék színű felhők jelzik a nanokristályban.
A jelenlegi, viszonylag olcsó, félvezető anyagból felépülő napelemek hatásfoka ugyanis még a technológia tökéletesítése esetén sem mehet az elméleti, körülbelül harminckét százalékos határ fölé. A háztetőkön látható poliszilícium napelemek pedig még ennek - az eddig csupán laboratóriumi körülmények között elért - elméleti hatásfoknak a felét sem érik el. "Ez azt jelenti, hogy a fény energiájának legkevesebb hatvannyolc százalékát nem hasznosítjuk, a nem hasznosuló energia nagy részét pedig a napelem melegítésére pazaroljuk el" - hangsúlyozta a lendületes kutató.
A probléma egyik megoldása az ütközéses ionizáción alapulhat. "A folyamat ahhoz hasonló, mint ami a diódákban tapasztalható negatív előfeszítés esetén, de ebben az esetben külső elektromos tér nélkül is létrejön" - magyarázta Gali Ádám. A kutatók azt remélik, hogy hőtermelés helyett sikerül további energiát továbbítani az elektromos szektorba. Mindezt úgy, hogy egy napelem által elnyelt, magas energiájú fénykvantum (foton) nem egy töltéshordozót generál, mint a szokványos napelemekben, hanem akár kettőt-hármat is. Ennek hatására a napelem akár másfélszer annyi áramot termelhet, növelve a hatásfokot. "Ez nagyon nagy szó egy olyan területen, ahol már egyetlen százalék hatásfokjavítás is áttörést jelent" - emelte ki a fizikus.
Mivel az ütközéses ionizáció a szilíciumkristályban nagyon alacsony hatásfokú, a kutatók olyan anyagokat kezdtek keresni, amelyeknél nem az. "Ilyenek a csupán néhány ezer atomot tartalmazó nanokristályok, amelyekben a kvantummechanikai kölcsönhatásnak köszönhetően megnő az ütközéses ionizáció folyamatának hatásfoka. Ráadásul előállításuk nem igényel bonyolult, a jelenlegi napelemekhez használt technológiát - például nem kell annyira figyelni az eljárást jelentősen megdrágító tisztaságra - így ez megoldás nem csak hatékonyabb, de egyben olcsóbb napelemet is eredményez" - sorolta a felismerésből fakadó előnyöket.
A lendületes kutató doktoranduszával, Vörös Mártonnal, valamint a University of California, Davis szakembereivel, Stephan Wippermann és Dario Rocca posztdoktor kutatókkal, illetve Giulia Galli és Zimányi T. Gergely professzorokkal és más kísérleti csoportokkal közösen azon dolgoznak, hogy a harmadik generációs napelemekhez szükséges nanokristályokat hozzanak létre. A kutatók bíznak benne, hogy erőfeszítéseik - amelyeket az MNV Zrt. is támogat - eredményeként akár egy éven belül megszülethet az első laboratóriumi napelem.