Egyetlen energiaforrásunk sem versenyezhet azzal a hatalmas energiával, amit a Nap sugároz folyamatosan a Földre. A napenergiát ma még drágán és kis hatékonysággal alakítjuk át elektromossággá, hővé, ezért nem is játszik egyelőre meghatározó szerepet energiamérlegünkben. Az USA Energiaügyi Minisztériuma számára készített elemzés szerint a biológia, az anyagtudomány, a nanotudományok eredményei, ígéretes kutatásai alapján a hatásfok lényeges javítása várható. Az új lehetőségekről az amerikai fizikusok folyóirata, a Physics Today márciusi száma közölt összefoglalót.
A kitermelhető olajkészletekben rejlő összes energiának megfelelő mennyiséget a Nap másfél nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség évi energiafogyasztása egyetlen órányi napsugárzásnak felel meg. Hatalmasak tehát a kihasználható lehetőségek. A napenergia többféle módon hasznosítható: napelemekben közvetlenül elektromossággá alakítható, természetes vagy mesterséges fotoszintézis révén üzemanyagokat lehet előállítani, a napfénnyel hőt termelhetünk, a hő pedig elektromossággá is átalakítható. Ma a világ elektromos energia termelésében mindössze 0,015% részarányt képvisel a napfényből nyert energia, a hőtermelésben 0,3%-ra tehető a részesedése. A természetes fotoszintézis révén keletkezett biomassza az emberiség energiaigényének 11%-át elégíti ki, de az elégetett fák kétharmada helyett nem ültetnek újat és a tüzelés is zömmel kis kályhákban zajlik, rossz hatásfokkal. Energiatermelésünk 80-85%-ban a fosszilis források hasznosítására épül, a források fogyóban vannak, eloszlásuk pedig egyenetlen. Felhasználásuk üvegházhatású gázok kibocsátásával jár. A napsugárzás fotonjaira alapuló energiatermelés viszont nem befolyásolja az éghajlatot, mindenütt rendelkezésre áll, kimeríthetetlen, ezért vonzó energiaforrás.
Elektromos energia napenergiából
A ma kereskedelmi forgalomban kapható, drága szilícium egykristályból készített legjobb napelemek 18% hatásfokkal alakítják át a napenergiát elektromossággá. Ugyanilyen anyaggal laboratóriumban 25% hatásfokot is elértek, az elméleti határ 31%. Más anyagokkal természetesen más hatásfok érhető el. A kutatók olyan olcsó anyagokat keresnek, amelyek nagy hatásfokkal végzik el az átalakítást. Találtak már olcsó anyagokat, de ezek alacsony hatásfokúak, ilyenek pl. a festékanyagokkal érzékenyített félvezető-oxidok, hatásfokuk nem éri el a 10%-ot, szerves anyagokból még olcsóbban készíthető napelem, de a hatásfok csak 2-5%. Az olcsóbb megoldások közé tartozik az amorf szilícium, a nanokristályos szilícium, a kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid alapanyag, közös jellemzőjük a viszonylag kis hatásfok. Sokirányú kutatások révén egyre jobban feltárul az anyag viselkedése a nanovilágban, egyre jobban megértjük, hogyan zajlanak nanoméretekben a folyamatok. Ezektől az ismeretektől remélhető az olcsó és nagy hatásfokú anyagok előállítása, ezek lesznek a harmadik generációs napelemek.
A mai napelemek a beeső napsugárzás spektrumából csak nagyon kis hányadot hasznosítanak, azt a keskeny sávot, amely megfelel a félvezető anyag bizonyos jellemzőinek. Ha a napsugárzást koncentrálják, akkor többfotonos folyamatok is adnak járulékot, különböző tulajdonságú félvezetőkkel pedig a spektrum nagyobb része hasznosul, így a hatásfok akár a 66%-ot is megközelítheti.
Az első, festékkel érzékenyített anyagot 1991-ben készítették el. A festék a növények zöld klorofilljának a szerepét játssza el, befogja a fotont, ettől az egyik elektronja gerjesztett, vagyis magasabb energiaállapotba kerül. Ez az elektron aztán gyorsan átmegy a szomszédos titán-dioxid nanorészecske vezetési sávjába, és hasonló nanorészecskéken keresztülvándorolva jut el végül az elektródára. Intenzív kutatások folynak új anyagok keresésére. Megoldásra vár a festékszemcsék miniatürizálása is, hogy minél kisebb legyen a napelem két összetevőjének egymástól való távolsága, az elektron rövid úton léphessen át.
A hatásfok növelésében fontos szerep vár az ún. kvantumpontokra, kvantumpöttyökre. Ólom-szelenid, ólom-szulfid és kadmium-szelenid nanokristályokban egyetlen bejövő fotonnal sikerült 7 elektront is kelteni, míg a szilíciumban 1 bejövő foton jó esetben 1 elektront kelt. Nagy szerep várhat tehát ezekre a nanokristályokra, ha sikerül őket tömegesen beépíteni a napelemekbe.
A fotonok hatására keletkezett elektronok gyorsan leadják energiájukat, alkalmazkodnak környezetük hőmérsékletéhez. Nem mindegy tehát, milyen gyorsan lehet az elektronokat kivezetni a napelemből. Nagyon rövid (femtoszekundum) impulzusú lézertechnikával már feltárták a félvezetőkben lezajló folyamatok részleteit, ezeket az ismereteket hasznosítják majd a harmadik generációs napelemek megtervezésénél. Megoldásra vár még egy nagy probléma: a napelembe beépített milliárdnyi nanopöttyből el kell vezetni az elektronokat egyetlen közös áramba.
Üzemanyaggyártás napenergiával
A természet hárommilliárd év alatt többféle megoldást talált a napenergia kémiai energiaforrássá alakítására. A növények fotoszintézise mintegy 100 terrawatt napenergiát használ fel, amikor vízből és szén-dioxidból cukrokat, keményítőket épít fel. Az energiaátalakítás hatásfoka túl kicsi ahhoz, hogy az emberi igényeket ily módon lehessen kielégíteni. A fotoszintézis többlépéses folyamat, az eleje, a vízmolekula felbontása hatékony, a későbbi lépések rontják le a hatásfokot. Három megoldás kínálkozik: gyorsabban növő, több biomasszát produkáló növények létrehozása nemesítéssel vagy genetikai beavatkozással; a természetes fotoszintézis kevéssé hatékony lépéseinek kikerülése vagy a biológiai megoldást utánzó nanoméretű szerkezetekkel gyártani fűtőanyagot vízből és szén-dioxidból. Az első megoldással régóta foglalkoznak, a második és harmadik lehetőség felderítésére pedig megindultak a kutatások, a kezdeti lépéseknél tartanak. A fotoszintézis első lépéseit megfelelően szétválasztva és újrarendezve hidrogént, metánt és alkoholokat lehetne előállítani. A fotoszintézis kezdetén felszabaduló protonokat és elektronokat hidrogénmolekulákká lehetne kötni. A kutatások a biológia, az anyagtudomány, az energiaátalakítás frontvonalának összekapcsolását célozzák.
A mesterséges fotoszintézis létrehozásában is megszülettek már az első ígéretes megoldások. Hexa-fenil-benzol molekula adja a nanoszerkezet merev vázát, ezt öt antracén molekula veszi körül, ezek antennaként begyűjtik a 430-475 nanométer hullámhosszú fényt. Az energiát 1-10 pikoszekundum alatt átadják egy porfirin molekulának, amelyből egy gerjesztett elektron 80 pikoszekundum alatt átkerül a fullerén molekulába. Ilyen összekapcsolt molekulák végezhetik el a fotoszintézis első lépését, a további, még feltárandó és megoldandó lépésekben a vízből hidrogénmolekula, a szén-dioxidból metán vagy alkohol hozható létre.
Hozzászólások