Chip 1996 April

home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search

/ Chip 1996 April / CHIP 1996 aprilis (CD06).zip / CHIP_CD06.ISO / hypertxt.arj / 92 / SOLAR.CD < prev next >

Wrap

Text File | 1995-09-14 | 15KB | 267 lines

@VA jövô energiája@N @VNapenergia a jövô évezrednek@N A Nap mint energiaforrás egyre vonzóbbá válik. A kutatók a chipgyártás anyagaival és módszereivel azon dolgoznak, hogy a földtörténeti középkorban keletkezett energiahordozókat felválthassák a napenergiával. Amikor Bernhard Voss az égre pillant, a látottakra úgy reagál, mint bárki más. Nem ujjong, ha süt a nap, nem húzza el az arcát, ha vastag a felhôtakaró. ùgy tûnik, ô is beletörôdik az idôjárásba, mint mindenki. A látszat azonban csalóka, hiszen már tíz éve makacs küzdelmet folytat a freiburgi ISE Fraunhofer Intézet laboratóriumában, hogy munkára fogja a Napot. Munkatársaival együtt szinte mindent megpróbál, hogy egyre hatékonyabb napelemek segítségével akár csak egy százalékkal többet is megkaparintsanak a Nap roppant energiájából. A freiburgi tudósok rendelkeznek a legfejlettebb laboratóriummal a német napkutatók között. Intézetük számítógépes felszereltsége példás: mintegy hatvan Unix munkaállomás, számos személyi számítógép és mérôállomás van összekötve a hálózatban. A tetôn lévô meteorológiai megfigyelô állomás is ebbe a rendszerbe kapcsolódik -- itt 15 percenként regisztrálják a levegô nedvességtartalmát, a szélerôsséget és a Nap teljesítményét. Az adatokat egy óriási adatbankban tárolják. A hálózaton keresztül a 120 kutató mindegyike bármely géprôl hozzáférhet ezekhez az adatokhoz, a kísérleti és a mérési eredményekhez. A tudósok munkájukkal a jövô évezred emberének életfeltételeit akarják megteremteni. A Föld középkorában keletkezett energiahordozók -- például a kôolaj és a szén -- belátható idôn belül elfogynak. Hatvan, esetleg hetven évig lesz még elegendô belôlük, vélik egyesek -- száz évig fog tartani a készlet, mondják az optimistább szakértôk. És van még valami, ami miatt sürgôssé válik az alternatív energiahordozók használata: az üvegházhatás, amit a fosszilis energiahordozók égésekor keletkezô széndioxid erôsít fel a légkörben, és következményei az egész emberiséget fenyegetik. A napenergiáról -- mint a probléma megoldásáról -- már évtizedek óta beszélnek. A döntô lökést azonban az 1973-as olajválság adta meg. Ma Németországban sok helyen dolgoznak Bernhard Vosshoz hasonló tudósok, akik elkötelezték magukat az úgynevezett fényelektromos jelenség (fotoeffektus), azaz napfény elektromos energiává alakítása mellett. A napenergiáért folyó versenyben a freiburgiak mellett többek között a berlini Hahn-Meitner Intézet, a stuttgarti Német Repülési és ÿrhajózási Kutatóintézet, és a karlsruhei ISI Fraunhofer Intézet kutatói is részt vesznek. Egyetemek alapítottak külön tanszékeket a megújuló energiák számára. Ahol a jövôrôl van szó, ott az ipar sem akar lépéshátrányba kerülni: olyan cégek, mint a Siemens, az AEG, a Bosch, a Telefunken és a Nukem is ki akarják használni a Napban rejlô üzletet. Most mindannyian azzal az anyaggal próbálkoznak, amely több mint harminc évvel ezelôtt lehetôvé tette a mikroelektronika hatalmas áttörését: az eredmény kulcsa valószínûleg a szilícium napelemek továbbfejlesztése. ""Túlságosan sokáig elhanyagolták a szilícium napelemek szerkezetének és technológiájának kutatását" -- panaszkodik Bernhard Voss. Amikor 1981 júliusában Freiburgban megalapították a napenergia kutatásával foglalkozó Fraunhofer Intézetet, az intézet igazgatója, Adolf Goetzberger professzor, jó lóra tett. Laboratóriumában ugyan más anyagokat is kutatnak (például a gallium-arzenidet), de tíz év óta a napelemeik alapanyaga szilícium. Bernhard Voss már a kezdeti idôk óta a ""napos" intézetben dolgozik. Már 1957 óta -- korábbi munkahelyein, a Valvo, a Semicron és a BBC cégeknél -- foglalkozik szilíciummal, amely a félvezetôk kifejlesztéséhez is alapanyagul szolgált. Az intézetben, a napelemek technológiáját kutató részleg vezetôjeként most arról kell gondoskodnia, hogy a szilíciumból készült napelemek hatékonyabbak és fôleg olcsóbbak legyenek. Voss, aki 65 évesen nemsokára nyugdíjba megy, egyáltalán nem akar illúziókat kelteni senkiben. Tíz éves freiburgi tevékenysége hozzásegítette, hogy reálisan mérje fel a Napban rejlô lehetôségeket. ""Nem álmodozom arról, hogy a fotoelektromos jelenség hamar tért hódít az energiatermelésben. A napenergiának már megvan a maga felhasználási területe, de az elkövetkezô években nem fogja megoldani problémáinkat" -- mondja. @VA hatásfok még növelhetô@N A tíz év mérlegét így foglalja össze: ""Megismertünk, megvizsgáltunk és dokumentáltunk minden olyan lényeges összefüggést, amely meghatározza a napelemek hatásfokát. Kifejlesztettünk egy megbízható technológiát a napelemek viszonylag olcsó és hatékony elôállítására." De a tudományos kutatás bizonyára még sokáig nem fejezôdik be. A hatásfokot, amely megadja, hogy a napenergia hány százaléka alakul át ténylegesen elektromos energiává, még lehet növelni. ""A poli- és monokristályos szilíciumból készült napelemeknél 11 és 13 százalék közötti az átlagos hatásfok az ipari felhasználásban"" -- magyarázza Voss --, néhány napelemmodul még 15, 16 vagy 17 százalékot is képes elérni." A hatásfok világrekordját egy ausztrál kutatóintézet állította fel. A tudósok laboratóriumi körülmények között több mint 23 százalékot értek el egy monokristályos szilíciumból készült tesztnapelemmel; a freiburgi Fraunhofer Intézet rekordja 20 százalék. Bernhard Voss nem hisz abban, hogy ezek a laboratóriumi eredmények ténylegesen elérhetôk lennének a széles körû alkalmazás során: ""Reálisnak tartom -- mondja -- a 17--18 százalék elérését, nem túl magas elôállítási költséggel. De aztán már tényleg nincs tovább." A napelem hatásfoka elsôsorban a félvezetô szilícium anyagának tisztaságától függ. Az összefüggés egybôl világossá válik, ha megfigyeljük a szilícium napelemek szerkezetét és mûködését. Fotoelektromos effektusnak nevezzük azt, ha fényelnyeléskor egy szilárdtestben elektromos feszültség és általa elektromos áram keletkezik. Nagy hatásfok eléréséhez a szilárdtest-elemnek meg kell felelnie egy alapvetô feltételnek: a félvezetô fô jellemzôjének, azaz energiaszintjeinek olyannak kell lennie, hogy lehetôleg nagy részt nyeljen el a természetes napfény széles spektrumából. @VA legfôbb követelmény: nagytisztaságú szilícium@N A kristályos szilíciumból készült napelemek többnyire legalább két eltérô vezetôképességû zónából állnak: az emitterbôl (@Kn+@N réteg) és a bázisból (@Kp@N réteg). Az elnyelt fény elektronlyuk párokat hoz létre a félvezetô anyagában. A kisebbségben lévô töltéshordozóknak (elektronok a @Kp@N mezôben, lyukak az @Kn@N mezôben) a @Kpn@N átmenetnél lévô természetes belsô elektromos mezô zónájába kell jutniuk. Itt töltésmegoszlás következik be és ezáltal áram keletkezik. A töltéshordozóknak elég hosszú ideig kell ""életben maradniuk" ahhoz, hogy véletlenszerûen diffundálva az elektromos mezô tartományába érjenek. A töltéshordozók élettartama igen erôsen függ a szilícium anyagának tisztaságától. Ha a töltéshordozók idegen atommal találkoznak, akkor megsemmisülnek, vagy ahogy a szakértôk mondják: rekombinálódnak. A napelemek hatásfokának növelésénél az is fontos, hogy a gyártási folyamat minden lépése tiszta körülmények között történjék. Tökéletesen tiszta feldolgozást garantál a freiburgi Fraunhofer Intézet steril helyisége, amely hasonlít a mikrochip-gyártásban használatoshoz. A steril laboratórium felállításának 5 millió márkás költségét a Szövetségi Kutatási Minisztérium biztosította. Ha már a körülmények hasonlóak, kevésbé meglepô, hogy maga a napelemek gyártása is hasonló a mikrochipekéhez. Az elsô lépés az, hogy egy nedveskémiai tisztító--marató eljárással megszabadítják a szilíciumszeleteket a szerves és fémes szennyezôdésektôl. Ezután speciális hevítôkemencékben 850 és 1100 Celsius közötti hômérsékleten viszik be az anyagba a különbözô szennyezôanyagokat. Ez a fázis mintegy két órát vesz igénybe. Következik a litográfia, ahol az egyes cellák struktúráját maszkok segítségével világítják a szilíciumra. A Fraunhofer Intézetben kutatási célokra négy cellát raknak egy három col átmérôjû szilíciumlapra. Az utolsó lépésben vákuumgôzöléses eljárással felviszik a fém érintkezôket a szilíciumlapra. A steril laboratórium eredményeivel a tudósok igen elégedettek. A napelemek belsô része tökéletes, szennyezôdés csak alig mérhetô nyomokban van jelen. Gondot okoznak azonban a napelemek alsó és felsô felületei: az elkészült anyagot (a szilíciumtömböt) egy fûrész vágja fel finom szeletekre; ekkor a fûrészelt felületek nagy mértékben szennyezôdnek. Jelenleg speciális felületkezeléssel, úgynevezett felületpassziválással (szilíciumdioxid segítségével) próbálják tovább csökkenteni a töltéshordozók veszteségét a napelemek alsó és felsô lapján -- ezáltal még jobban növekedne a napelemek hatásfoka. További problémát jelent, hogy a napsugarak visszaverôdnek a napelemek felületérôl. Egy természetes, sík felületû napelemnél a napsugárzás 70 százaléka jut be ténylegesen a cellába, a maradék 30 százalék visszaverôdik, tehát elvész. A veszteség csökkentése érdekében visszaverôdést csökkentô réteget visznek a cella felületére. Azonban van már egy jobb módszer is, amelyet az ipar még nem alkalmaz: ha napelem felületét gúlaszerûen alakítják ki, óriási mértékben csökkenthetô a reflexiós veszteség. A freiburgi intézetben komolyan kutatják és fokozatosan tovább tökéletesítik ezt a struktúrát, amely eredetileg egy ausztrál intézetbôl származik. A cél állandóan a cellák hatásfokának növelése. Freiburgban a szilíciumon kívül a gallium-arzeniddel is végeznek kutatásokat. Nemrég a tudósok az újságok címlapjaira kerültek egy látványos eredménnyel. A Szoláris Energiarendszer Intézetben 22,3 százalékos hatásfokú gallium-arzenid napelemeket állítottak elô. Európában ez eddig a legnagyobb hatásfokú napelem. A fotoelektromos jelenség szakértôinek a túlságosan drága gallium-arzenid elsôsorban a sorba kapcsolt és a koncentrátor napelemrendszereknél érdekes, amelyek kisebb napelemfelületen ígérnek jó hatásfokot. Mindezek a törekvések azt szolgálják, hogy a napenergia kihasználása tudományosabb és hatékonyabb legyen. A célok megvalósulása azonban még távoli. ""Ha 2000-re sikerül a napenergia mai költségeit a felére csökkenteni, akkor büszkék lehetünk" -- véli Bernhard Voss. A napenergia kutatása nemcsak a német kutatókat foglalkoztatja. A dallasi Texas Instruments nemrég jelentette be, hogy csökkenti a napenergia árát. A cég a Southern California Edison (SCE) áramellátó vállalattal közösen indított el egy fejlesztési programot, amelynek az volt a célja, hogy a napenergia költségeit a hagyományos hálózati áram szintjére csökkentsék. Ebben már nem a hagyományos -- rideg és törékeny -- cellákat használják, hanem egy új technológiát, amellyel 17 ezer parányi cellát lehet elhelyezni egy alumíniumfólián ""napgolyó" formájában. Ez a fejlesztés azért olcsóbb, mert a szilíciumnak nem kell olyan tisztának lennie, mint a hagyományos cellákban. A sok ezer cella a hatásfokot is elônyösen befolyásolja, mert ha egyik vagy másik cella kiesik, az nem csökkenti jelentôsen a hatásfokot. Ezzel szemben, ha egy hagyományos, 100 négyzetcentiméteres cella tönkremegy, az nagy mértékben rontja az összhatásfokot. @VA Napnak csak akkor lesz esélye, ha elfogy az olaj@N Az intenzív kutatás és a gyakorlati eredmények ellenére azonban csak akkor várható a napenergia nagy áttörése, ha a hagyományos energiahordozók sokkal drágábbak lesznek. A napelemek tömeggyártásával már talán most is gazdaságosabb lenne a napenergia felhasználása. Bernhard Voss azonban óv a túlzott optimizmustól: ""Egyelôre több mint kérdéses, hogy a már mûködô, napenergia hajtotta kisgépek, szabadidôs létesítmények, és az egyes elszigetelt megoldások belátható idôn belül felkeltik-e a tömegtermelés iránti keresletet. De végül a napenergia kihasználására fog kényszeríteni minket a mostani energiaforrások kimerülése." @KKirsten Wolf@N @VElektromos autók Münchenben@N @VBenzin helyett napenergia@N Rüdiger Schweikl, az 52 éves müncheni környezeti elôadó nemrég szokatlan követeléssel állt a városi tanács elé. A kipufogógázokkal mérgezett óvárost két--három éven belül le akarja zárni a belsôégésû motorral mûködô jármûvek elôl. Attól kezdve már csak olyan autókat engednének be, amelyek nem bocsájtanak ki káros anyagot -- tehát elektromos autókat. Schweikl egy évig teszteltette a tucatnyi elektromos autót (amelyeket pótjogosítvány nélkül lehet vezetni), mielôtt a városi tanácstagoknak és a sajtónak bemutatta volna. A füstmentes járgány energiaforrásául nem szerves tüzelôanyagokból vagy atomenergiából elôállított hagyományos áram szolgálna. Rüdiger Schweikl a Napból akarja az energiát ""lecsapolni". Elképzelése szerint a házak és épületek tetején elhelyezett napelemekkel elôállított energiát a városi áramellátó hálózatban tárolnák, amelybôl aztán az elektromos autók akkumulátorait fel lehetne tölteni. Schweiklnek az az álma, hogy egyszer a magánemberek is átszálljanak elektromos autóba. ""A második autó lehetne például egy elektromos járgány" -- véli a tevékeny környezeti elôadó. A magán naperômûvek költségéhez 30 százalékkal járulnak hozzá Münchenben -- ez talán több embert ösztönöz arra, hogy a tetôn felállítson egy ""napkutat". Schweikl jó esélyeket lát arra, hogy szokatlan ötletével meggyôzze a városi tanácsot. Nyolc évvel ezelôtt már próbálkozott hasonlóval: akkor sikerült rávennie a városi tanácsot, hogy Európában elsôként vezesse be az ólommentes benzin használatát.