Fraunhofer-kutatók olyan galvanizálási eljárást fejlesztettek ki, amelyben a drága nemesfém ezüstöt könnyen hozzáférhető rézzel helyettesítik. A kutatóknak sikerült kiváltaniuk a galvanizálás során általában keletkező polimereket, amelyek ártalmatlanítása költséges. Ehelyett alumíniumot használnak a maszkoláshoz, amely könnyen újrahasznosítható.
A fotovoltaika* a megújuló energiákból történő villamosenergia-termelés egyik fő pillére. A modern heteroelempontú napelemek alacsony szilíciumfogyasztásuknak köszönhetően különösen alacsony szén-dioxid-kibocsátással rendelkeznek, és az ipari termelésben a legmagasabb hatásfokot érik el. Ennek megfelelően jó esély van arra, hogy ez a technológia a gyártásban is szabványos lesz. A számok a fotovoltaika növekvő jelentőségét bizonyítják. A Nemzetközi Megújuló Energia Ügynökség (International Renewable Energy Agency, IRENA) szerint a fotovoltaikus rendszerekből származó globális villamosenergia-termelés 2012-ben több mint 96 TWh volt, és 2020-ra közel 831 TWh-ra emelkedik. Németországban a Szövetségi Környezetvédelmi Ügynökség (Umweltbundesamt die Stromerzeugung) adatai szerint a fotovoltaikából származó villamosenergia-termelés ugyanebben az időszakban 27 TWh-ról alig 50 TWh-ra nőtt.
A fotovoltaikában rejlő lehetőségek még messze nem merültek ki
A napelemek gyártása során azonban értékes ezüstöt használnak a vezetékekhez és az érintkezőkhöz. Ezek elvezetik a napsugárzásnak köszönhetően a szilíciumrétegben keletkező áramot. A nemesfém ára emelkedik; már ma is az ezüst teszi ki egy fotovoltaikus cella gyártási árának mintegy 10 százalékát. Ráadásul az ezüst csak korlátozott mennyiségben áll rendelkezésre a Földön. A napenergia-ipar a bányászott ezüst 15 százalékát dolgozza fel. Az erőteljes növekedés miatt ennek az aránynak meredeken emelkednie kellene. Ez azonban aligha megvalósítható, mivel más iparágak, például az elektromobilitás vagy az 5G technológia szintén nagyobb ezüstfogyasztást jelentenek a jövőre nézve. Ezért a napenergia-ipar nem lesz képes teljes erejét kiaknázni áttörő technológiai innovációk nélkül.
Réz a vezetékekhez
A freiburgi Fraunhofer Intézet (Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE) mintegy 1400 alkalmazottal Európa legnagyobb napenergia-kutató intézete. Egy kutatócsoport Dr. Markus Glatthaar, a fémképzés és szerkezetalkotás szakértője vezetésével olyan galvanizálási eljárást fejlesztett ki, amelyben az ígéretes heteroelempontú technológiában az ezüstöt rézzel helyettesítik. A réz sokszor olcsóbb és könnyebben hozzáférhető. Annak érdekében, hogy a napelem teljes elektromosan vezető felületét ne galvanizáljuk rézzel, a nem galvanizálandó területeket először le kell maszkolni. Ezek a területek elektromosan szigetelő bevonatot kapnak, amely megakadályozza a galvanikus lerakódást. Így a rézréteg csak a nem szigetelő bevonattal ellátott területeken növekszik. A kutatók itt egy második jelentős előrelépést is tettek: Eddig az ipar drága polimer alapú lakkokat vagy filmeket használt a szilíciumszelet elektrolitfürdőben való elfedésére. A polimerek megfelelő ártalmatlanítása költséges és sok hulladékot okoz. Glatthaarnak és csapatának sikerült a polimereket alumíniummal helyettesíteni. A rézhez hasonlóan az alumínium is teljes mértékben újrahasznosítható. A kettős váltás – ezüstről rézre és polimerről alumíniumra – kettős előnnyel jár: a napelemek gyártása fenntarthatóbbá válik, ugyanakkor jelentősen olcsóbbá is.
Áttörés innovatív galvanizálással és továbbfejlesztett elektrolittal
Hogyan sikerült a kutatóknak a drága nemesfém ezüstöt helyettesíteniük? „Kifejlesztettünk egy speciális galvanizálási eljárást, amely lehetővé teszi, hogy ezüst helyett rezet használjunk a vezetőpályákhoz” – magyarázza Glatthaar. Még a teljesítményt is javítja. Ennek oka, hogy a rézvezetők a lézeres strukturálásnak köszönhetően különösen keskenyek. A rendkívül kis, mindössze 19 mikrométeres átmérő miatt a fényt fogadó szilíciumréteg árnyékolása kisebb, mint az ezüstsávok esetében. Ez javítja a teljesítményt és végső soron a villamos energia hozamát. A Fraunhofer-csoport második technológiai eredménye az alumínium maszkolórétegként való alkalmazása. Az egyik nehézség az, hogy az alumínium elektromosan vezető, és ezért egyáltalán nem alkalmas maszkoló rétegként. A Fraunhofer-kutatók kihasználják, hogy az alumínium magától szigetelő oxidréteget képez a felületén. Ez azonban csak néhány nanométer vastag. „Sikerült a folyamat paramétereit úgy alakítani és egy speciális elektrolitot kifejleszteni, hogy az alumínium rendkívül vékony, natív oxidrétege megbízhatóan betöltse szigetelő funkcióját. Ez fontos mérföldkő volt a kutatási projektünk sikere szempontjából” – mondta el Glatthaar. Az újrahasznosítható réz és alumínium egy lépéssel közelebb hozza a fotovoltaikus termelést a körforgásos gazdasághoz. Ez javítja a környezetvédelmi és szociális normákat is. „Mivel elegendő réz van Németországban, az ellátási láncok rövidebbek, és csökken a függőség a nemzetközi nyersanyagpiacok árától, illetve a külföldi beszállítóktól” – teszi hozzá Glatthaar.
Annak érdekében, hogy ez az ígéretes technológia gyorsabban piacra kerüljön, a Fraunhofer ISE megalapította a PV2+ elnevezésű céget. A P és a V betűk a fotovoltaikát, a 2+ pedig a galvanizálófürdőben lévő két pozitív töltésű réziont jelölik. A vállalat székhelye szintén Freiburgban van. Markus Glatthaar Fraunhofer-kutató tölti be a vezérigazgatói tisztségét. Ipari partnerekkel együtt már 2023 elején kísérleti gyártást szeretne indítani. Prof. dr. Andreas Bett, a Fraunhofer ISE intézetigazgatója kifejtette: „Az innovatív napelemek a megújuló energiákból származó jövőbeli energiaellátás fontos építőkövei, és a fotovoltaikus iparnak nagy szükségét jelentő lendületet adnak. Az új cégnek van a legjobb esélye arra, hogy gyorsan és sikeresen meghonosodjon a piacon. Természetesen még inkább örülünk annak, hogy ezek a technológiák a mi intézetünkben jöttek létre.” Ezen kívül a Szövetségi Gazdasági és Éghajlatvédelmi Minisztérium (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, BMWK) az “Exist” program keretében is finanszírozza a projektet.
* A fotovoltaika olyan technológiai megoldás, amely révén villamos energia állítható elő.
