Új Szó - Vasárnapi kiadás, 1988. július-december (21. évfolyam, 26-52. szám)
1988-07-29 / 30. szám
TUDOMÁNY TECHNIKA $ Az első tudatos napenergiahasznositók való- ^ színüleg a Vesta-szűzek voltak (i. e. 700 körül), ^ akik napfénnyel gyújtották meg szent tüzüket ^ fémpoharak tükröző hatását kihasználva - leg- ^ alábbis ezt állítja Plutarkhosz. Ma a müezzin ^ imára szólító hangját erősíti a napenergia. ^ Hosszú vagy rövid utat járt meg ez alatt a tech- $ nika? Nem könnyű a válasz. Az első elektromos cella Sokat foglalkoztak a természettudósok napenergiával. Különösen Lavoisier óta, akinek nevéhez az első napolvasztó fűződik. Napirányba állítható lencséivel 1722-ben platinát olvasztott (1773°C). A napelemek története azonban csak 1839-ben kezdődött, amikor Becquerrel felfedezte a fotovillamos hatást. A fény hatására bekövetkező ellenállásváltozást 1873-ban észleibe Willou- ghby Smith; az első, működő fotovillamos cellát 1883- ban készítette el Fritts. Energiaátalakítási alkalmazásra persze gondolni sem lehetett. Meg kellett várni a félvezető eszközök megszületését. Ezek aztán új utat nyitottak a napelemek fejlődésében is. Az első igazi napelem, amelyet szilíciumból készített Pearson, Fuller és Chapin 1953-ban, már elérte a 6%-os energiaátalakítási hatásNapelemek fokot (a gőzmozdonyé 4-6%, a belsőégésű motoroké 20-30%). Bár rendre születtek az egyre tökéletesebb napelemek, mindennapos alkalmazásuk szóba sem jöhetett a magas előállítási költségek miatt. Az űrtechnikában, a műholdak villamosenergia-ellátásában viszont egyeduralkodóvá váltak. Töltések és átmenetek A földi alkalmazást a 70-es évek olajválsága hozta meg. A technológia-fejlesztésre költött dollármilliók hatására már a néhány 100 W-tól a több 10 kW-on át egészen a néhány megawattos tartományban is használnak napelemeket. A fényenergiát elektromos energiává alakító napelemek különböző változatai között nincs lényeges különbség. Mind azon a hatáson alapul, hogy a fény lyuk-elektron párokat gerjeszt az anyagban, azaz, a félvezetők vegyértéksávjából elektronok jutnak át a vezetési sávba, ha a gerjesztő foton energiája nagyobb, mint a tiltott sáv szélessége. Ha a félvezetőben p-n átmenet, fém-félvezető átmenet vagy heteroátmenet van, akkor a megvilágítás más-más hatást vált ki az átmenet környezetében. A p-n átmenet közvetlen környezetében mozgóképes töltéshordozókban elszegényedett, kiürített réteg van. A helyzet kötött, ionizált donor és akceptor szintek egy beépített térerőt hoznak létre. Ez választja szét a fény hatására a kiürített rétegben generálódott töltéshordozókat. Az elektronok az n-típusú oldal, a lyukak a p-típusú oldal felé vándorolnak. Ez a generált töltéshordozó áram megfelelő terhelés alkalmazásával hasznosítható. A fém-félvezető át- menetes cellák hatásfoka elméletileg is kisebb, mint a p-n átmeneteseké a nagyobb diódavisszáram miatt, de valamivel jobb a spektrális érzékenységük. A heteroát- menetes cellákból kivehető fotoáram még kisebb, azonban igen érzékenyek a rövid hullámhosszú tartományban. Ez alapján talán érthető, hogy a legelterjedtebbek a p-n átmenetes cellák. Gyártási eljárások A több tucat alapeljárás és ezek kombinációjával gyártott napelemek javarészének (56%-ának) alapanyaga egykristályos szilícium. Nagytisztaságú polikristályos szilíciumból növesztik tégelyben olvasztás, vagy függó- zónás eljárás segítségével az egykristályrudat, s ezt felszeletelve jutnak a napelem kiinduló anyagához. Ha szalagkristály napelemről hallunk, akkor néhány tized milliméter vastag egykristály szalagra kell gondolnunk, amelyet közvetlenül az olvadt szilíciumból húznak. A földi felhasználásra kerülő napelemek döntő többsége p-n átmenetes, amelyet bór adalékolással érnek el. A néhány száz mikron vastag szilíciumlemezkében a p-n átmenet a felülettől 1 mikromóternyi mélységben van. Az első és a hátsó fémkontaktus anyaga nikkel, titán-ezüst, titán-palládium-ezüst, alumínium a leggyakrabban, de lehet réz is. Ennek kialakítási technológiájában van a legnagyobb eltérés az egyes cégek között. Ezután már csak a hőkezelés következik és majdnem készen van a napelem. A végső fázisban még reflexiócsökkentő bevonatot kap a cella. Ennek anyaga is sokféle lehet: szilícium-dioxid, szilícium-nitrát, tantál-pentoxid, ón- oxid, cink-szulfid vagy titán-dioxid, esetleg ezek kombinációja. Az e bonyolult gyártási sor után elkészült napelemek hatásfoka eléri a 15%-ot, de laboratóriumban 18%-og elemek is készültek már. A polikristályos szilíciumnapelem előállítása olcsóbb, de minősége rosszabb: a szemcsehatárok mentén a töltéshordozók rekombinációja csökkenti a hatásfokot. A szemcseméret vagy a szemcsék oszlopos - azaz a lemez felületére merőlegesen orientált - rendje valamit javít a hatásfokon. Ez esetben a napelemek úgy tekinthetők, mint egy kristályos egyedi kis oszlopos cellák párhuzamos elrendezése. így akár 10-12%-os hatásfok is elérhető. A kadmium-szulfid napelemek közül az első még 1956-ban készült el. A kristályos kadmium-szulfid direkt sávú félvezető, amelyben a tiltott sáv szélessége 2,42 eV. A töltéshordozó-sűrúségen adalékolással változtatnak: a klór, bróm, jód vagy az alumínium, gallium, indium donor szinteket hoz létre; a réz és az ezüst, vagy a nátrium és kálium pedig akceptor szinteket állít elő. A vákuumpárologtatással, katódporlasztással szintere- léssel vagy felszórással, kialakított kadmium-szulfid rétegben heteroátmenetet állítanak elő réz-szulfiddal. Elölről és hátulról megvilágítható fajtát gyártanak. Az eltérő megvilágítású Cu2-S-Cds napelemekhez természetesen más-más áramvezető elektród-kialakítás tartozik. A legjobb hatásfokú napelemanyag a gallium-arzenid (a III.-IV típusú vegyület félvezető), amelyben a tiltott sáv szélessége 1,35 eV. Gyártása az egykristályos szilícium napeleméhez hasonlít. Elsősorban az űrkutatásban használják majd, mert a 21-22%-os hatásfok kifizetődővé teheti. Olcsóbban gyártani A legígéretesebb anyag pedig újabban az amorf szilícium. Az egykristályos szilíciumból készült napelem csak hosszú idő alatt tudja megtermelni az előállítás során felhasznált energiát. Az olcsó szilíciumból olcsó eljárással kellene napelemet gyártani. Az amorf Si egyre inkább megfelel ennek a követelménynek. A napsugárzás nagyobb részét képes hasznosítani, mert a tiltott sávszélessége nagyobb az egykristályosénál. Az abszorpciós képessége is 1-2 nagyságrenddel jobb. Ezért már mikronnyi vastag réteg is elégséges. Azért olcsó, mert olcsó vékonyréteg-technológiákkal előállítható. Az üveg-vagy acéllemez hordozóanyag sem drága. Az alapanyag előállítás és napelemgyártás sem különül el egymástól. Az amorf réteg ködfénykisülése bontással, vákuumgőzöléssel, porlasztással vagy akár kémiai gőzfázisú leválasztással is sikeresen előállítható. A legjobb amorf szilícium napelemek hatásfoka stabilan 12%. A napelemek durván 30%-a már amorf szilícium. Ha így folytatódik a kutatásfejlesztés, talán rövidesen gazdaságossá válik a napenergia hasznosításának ez a módja. .. . . (Impulzus) A napenergia hasznosítására vonatkozó távlati elképzelések közül kettő: Balra egy világűrbe telepített villamos erőmű vázlata, amely a felgyülemlett energiát rádióhullámok formájában juttatná a földre 1) napelemek, 2. hullámgenerátor, 3. adóantenna, 4. rádióhullám - nyaláb, 5. vevőantenna. Jobbra a földfelület éjszakai megvilágítása, fényvisszaverő tükrökkel Energiaváltó kerámia Nemrégiben az optikai ipar is felfedezte a kerámiát, mint a napsze- '"'müveggyártás egyik alapvető anyagát, vagy mint kamerazárat, esetleg az új kamerák elektronikus berendezéseibe mint memóriaelemeket alkalmazva. Ma már tehát - ennek egyik eredményeként - nemcsak az emberi szem, hanem a videokamera is sok mindenre képes, például arra, hogy pillantson. A napos oldalról a hirtelen árnyékba fordulás a képet egy pillanatra elszürkíti. Máskor a tévéközvetítések alkalmával a kamera lemarad a futballmérkőzés egy-egy érdekes, ám gyorsan végbemenő jelenetéről. Ezeknek a jelenségeknek az oka a kamera „lustasága". A zárautomatika csak nehezen bírja követni a változó fényviszonyokat. Javulást ezen a téren az új anyagok, például ismét csak a kerámiák felhasználásával érhetünk el. Néhány kerámiafajtának piezoelektromos tulajdonsága van. (Piszerin görögül annyit jelent: megnyomni, összenyomni). A piezo- elektromosság a kristályszerkezetek jellemzője. Az effektus akkor lép fel, amikor a kristály szemben lévő lapjai mechanikus nyomás hatására feltöltödnek. Érje a mechanikus nyomásra, vagy húzásra ugyanis a piezokristály az elektromos töltés felszabadításával reagál. A kerámiáknak ezt a viszonylag nemrégen kihasznált tulajdonságát először a dohányosok ismerték meg, mivel mindenekelőtt a régi öngyújtók mechanikus szikracsiholóját helyettesítették velük. A pie- zoelektronika azonban nemcsak a mechanikai energiát alakítja át elektromossá, hanem fordítva is: az elektromosságot mechanikus energiává. A váltakozó elektromos pólusok létrejöttéhez a keramikus kristályokat nagy pontosságú frekvenciával gerjesztik, miközben azok kristályszerkezete a rezgés hatására és azzal szinkronban, elasztikusán deformálódik. Eközben az ionok egy része „kiszalad a sorból". A pozitív és negatív töltések lassanként arrább tolódnak. Ez a rezgés makroszkopikusan mint rövidülés jelentkezik. A mesterséges deformációnál éppen ellenkezőleg a kristályszerkezetre nehezedő külső nyomás szabadítja fel a kristályfelszín elektromos töltéseit. Egyébként a jelenségnek csak az alkalmazása új dolog, magát a tulajdonságot Pierre Currie már 1880-ban felfedezte. A piezokerámiák manapság egyre szélesebb körben nyernek alkalmazást, mint az elektroakusztikai átalakítók (mikrofonok, hangsze- dök) gyártásának alapanyaga, az ultrahangos diagnosztikai műszerek alapeleme és nagy felhasználóvá válhat természetesen a már említett optikai is. A laboratóriumban már vizsgálják azt a fényáteresztő, nagyjából a nem túl sötét napszmüveghez hasonló színű kerámiát, amely elektromos térbe helyezve megváltoztatja tulajdonságait. Japán tudósok már kifejlesztették a piezoelektromos kerámiával készült kamerazárat is. Az elektronikában ezek a kristályok helyettesíthetik majd az emisszós dióda fényét is. A fényforrás előtt kellő mértékű optikai rést, „szemet" képes nyitni nagy pontossággal. Használnak ma már kerámiákat a hegesztőszemüvegek készítésénél is. Eddig azonban az elterjedést bizonyos mértékig gátolta az a tény, hogy a piezoelektromos tulajdonságú kerámiák nem készültek kellő minőségben. Főleg a szilárdság és tartósság hiányzott, amely éppen a kamerazárak készítésénél nem nélkülözhetők. Sokat várhatunk ezen a téren az NSZK-ban kifejlesztett Sol-Gel gyártási módszerektől. Az első kísérletek azt látszanak bizonyítani, hogy az így gyártott piezoelektromos kristályok szabályos kristályráccsal, jobb piezoelektromos, dielektromos és optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A keramikus anyagok más területeken is alkalmazhatók például az anyagmegmunkálásnál és feldolgozásnál (mint amilyen a hegesztés, forrasztás, ultrahangos szegecselés), az elektroakusztikában és a számítógépes memóriák gyártásában. (elektron) SZUPRAVEZETŐ «. ENERGIATÁROLÓ Két amerikai kutatócsoport dolgozik párhuzamosan egy kétéves programon, amelynek célja 30 MWh energia tárolása egy nagy, körgyűrű alakú, szupravezető mágnesben. A fejlesztésnek részben hadi, részben békés célja van. A hadi cél rövid, nagy energiájú impulzusok szolgáltatása földön telepített lézer- fegyverek számára, a polgári cél az energiahálózat kisegítése csúcsidőben. A szupravezetós mágneses energiatárolásnak több vonzó előnye van a hagyományos módszerekhez képest: a nagy teljesítmények azonnali elérhetősége 94 százalékos, esetleg még magasabb hatásfok, szerény üzemköltségek és kis helyszükséglet. A tárolt energia mindaddig rendelkezésre áll, ameddig a megfelelő hűtés fenntartja az anyag szupravezető tulajdonságát. A tervezett 30 MWh energia tárolásához szükséges 100 m átmérőjű gyűrű egy 9 m mély árokban merülne be a folyékony héliumfürdőbe. A lézerfegyver, amely a csillagháborús készülődések része, rakéták megsemmisítését kapná feladatul. Teljesítményigénye 400-1000 MW, körülbelül 100 s időtartamra. Békés felhasználás esetén 10-25 MW teljesítményét 2 órán át kellene szolgáltatnia. Távlatilag a most tervezettnél nagyobb, 5000 MWh energiájú tárolóra gondolnak. Az ehhez szükséges mágnestekercs átmérője 1 km, szélessége 1 m, magasság 19 m. Mire erre sor kerül, talán már beérnek azok az eredmények, amelyeket a magasabb kritikus hőmérsékletű, keramikus szupravezetők jelenlegi kutatási munkái Ígérnek. HÉLIUMVEGYÜLETEK? A nemesgázokat régebben olyan elemeknek tekintettük, amelyek más elemekkel nem képeznek vegyüle- tet. Ez ma már a kripton és a xenon esetében nem érvényes. Mindkét nemesgáz vegyületbe hozható fluorral és oxigénnel. Fluorozásra vagy oxidálásra fel is használják ezeket. Amerikai és német vegyészek kutatásai szerint hasonló vegyületeket lehetne előállítani a héliummal is. Erre a felismerésre rendkívül hosz- szadalmas és bonyolult kvantumfizikai-kémiai számítások eredményei nyomán jutottak. Ezek szerint lehetséges a héliumot berilliummal reakcióba hozni, amely semleges és állandó hélium-berillium-molekulát eredményez. Ezek a megállapítások ma még csak elvi jelentőségűek, hiszen a ve- gyületek tényleges előállítása nélkül nem végezhetők kísérletek. Az eredmények azonban olyan számítási módszerekre mutatnak rá, amelyek alapján eddig elő nem állított vegyületeket lehetne szintetizálni. ROBBANÁSVÉDETT GYÚJTÓKÉSZÜLÉK A robbanásveszélyes helyeken felszerelt világítótestek biztonsági okokból nem tartalmazhatnak izzó elektródokat. Mivel a nagyobb fénycsöves lámpák gyújtásához nem elegendő a hálózati feszültség, fe- szültségnövelö kapcsolásokat kell alkalmazni. Egyik lehetősége a transzformátorként működő előtét beiktatása, hátránya azonban a nagy veszteségi teljesítmény és a höfejlödés. Ezen segít az elektronikus gyújtókészülékek használata: a gyújtófeszültséget egy soros rezgőkör kondenzátoron állítják elő. A világítás begyújtásáig ez semmilyen hatást nem gyakorol az áramkörre.
