Pasaulinis elektros energijos suvartojimas kasmet didėja, o dirbtinio intelekto plėtra tampa nauju iššūkiu visam energetikos sektoriui. Prognozuojamas elektros poreikio šuolis iki 2030 metų jau vadinamas viena sparčiausių transformacijų energetikos istorijoje, todėl mokslininkai ieško efektyvesnių, pigesnių ir lengviau pritaikomų saulės energijos sprendimų.
Viena perspektyviausių krypčių – perovskitiniai saulės elementai. Jie pasižymi itin dideliu gebėjimu paversti šviesą elektros energija, gali būti ploni, lankstūs, o jų gamyba yra pigesnė ir reikalaujanti mažiau energijos nei tradicinių silicio modulių. Vis dėlto šios technologijos komercializaciją iki šiol stabdo esminė problema – nepakankamas ilgaamžiškumas veikiant drėgmei, karščiui ir deguoniui.
Prestižiniame „Nature Communications“ žurnale pristatomas Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkų ir jų partnerių sprendimas, sprendžiantis šią problemą ir šalinantis vieną pagrindinių perovskitinių saulės elementų degradacijos priežasčių. Tyrėjai sukūrė stabilesnę jungtį tarp skirtingų saulės elemento sluoksnių, leidžiančią įrenginiui veikti efektyviau ir ilgiau.
Mikroskopinis sluoksnis lemia viso elemento veikimą
Pasak KTU mokslininko dr. Kasparo Rakščio, perovskitiniai saulės elementų problema dažnai slypi ne pačioje šviesą sugeriančioje medžiagoje, o jungtyse tarp skirtingų sluoksnių.
„Paprastai tariant, saulės elementą galima įsivaizduoti kaip daugiasluoksnį sumuštinį, kurio skirtingi sluoksniai sudaryti iš skirtingų medžiagų, atliekančių įvairias funkcijas. Tam, kad šis darinys veiktų efektyviai, jo sluoksniai turi būti idealiai sujungti“, – aiškina K. Rakštys.
Iki šiol tam dažnai naudoti KTU prof. Vytauto Getaučio mokslinėje grupėje sukurti krūvį transportuojantys savitvarkiai monosluoksniai (SAM), veikiantys kaip savotiški molekuliniai klijai.Pirmą kartą paskelbti dar 2018 metais, jie tapo itin svarbiu pokyčiu perovskitinių saulės elementų technologijoje.
„Vis dėlto ilgainiui išryškėjo problema – šios molekulės dėl savo rūgštinės prigimties gali ėsdinti ir ardyti gretimus sluoksnius, dėl to sąlyčio vietoje atsiranda defektų, trukdančių elektros krūviams judėti – elementas praranda savo efektyvumą ir trumpėja jo tarnavimo laikas“, – sako K. Rakštys.
Nors šis sluoksnis yra vos kelių nanometrų storio, jo vaidmuo itin svarbus – per jį skyliniai krūvininkai turi būti perduodami į elektrodą. Jei šiame kelyje atsiranda kliūčių, viso elemento galia mažėja net ir tada, kai perovskitas efektyviai sugeria saulės šviesą.
Būtent šią silpnąją vietą KTU mokslininkai ir siekė pataisyti. Jų pasiūlytas sprendimas – pakeisti molekulės dalį, kuria ji tvirtinasi prie kontaktinio metalo oksido paviršiaus. Tradiciškai ji būdavo rūgštinė, tačiau šiame tyrime buvo chemiškai modifikuota ir paversta jonine druska.
„Šiame tyrime rūgštines molekules neutralizavome – pavertėme chemiškai neutraliomis druskomis taip sukuriant neagresyvią jungtį, kuri leidžia saulės elementui veikti kur kas stabiliau ir efektyviau. Toks sprendimas yra chemiškai neutralus bei technologiškai turi net keletą privalumų: druskų molekulės lygiai taip pat tvirtai prisiklijuoja prie metalų oksidų paviršiaus bei druskos pasižymi tirpumu vandenyje, tad toks sluoksnis gali būti formuojamas nenaudojant toksiškų tirpiklių“, – aiškina K. Rakštys.
Pasak KTU mokslininko, šiame tyrime pavyko suderinti du paprastai sunkiai kartu pasiekiamus tikslus – stabilumą ir efektyvumą.
„Netikėčiausia neabejotinai yra šios idėjos paprastumas. Turint omenyje, kad perovskitiniai saulės elementai šiuo metu yra viena sparčiausiai augančių technologijų ir šioje srityje dirba tūkstančiai žmonių, tokios paprastos idėjos sėkmingas realizavimas yra tikrasis eureka momentas. Mokslas dažnai reiškia nuolatinį eksperimentavimą ir mokymąsi iš nesėkmių, tačiau kartais sudėtingi tikslai niekur nenuveda, o paprasčiausios idėjos atneša geriausius rezultatus“, – dalijasi K. Rakštys.
Sprendimas veikia ne tik laboratorijoje
Vienas svarbiausių naujų saulės elementų technologijų išbandymų – gebėjimas veikti ne tik mažame laboratorinio dydžio mėginyje, bet ir didesniame plote. Kaip pabrėžia K. Rakštys, būtent čia dažnai išryškėja skirtumas tarp mokslinio rezultato ir realiai pritaikomos technologijos.
„Laboratorijoje pasiekti aukštą efektyvumą nėra pakankama – reikia parodyti, kad tas pats sprendimas veikia ir didesniuose plotuose, kurie jau artimi realiems moduliams“, – sako jis.
Bendradarbiaudami su partneriais Kinijoje, KTU mokslininkai pademonstravo, kad naujoji koncepcija leidžia didesnio ploto modulius padengti vienodu, kokybišku sluoksniu ir taip įvertinti technologijos veikimą sąlygomis, artimesnėmis realiam pritaikymui.
Pasak K. Rakščio, tarptautinis bendradarbiavimas šioje srityje itin svarbus, nes perovskitinių saulės elementų tyrimai jungia chemiją, fiziką, medžiagų mokslą ir prietaisų konstravimo technologijas.
Metodas buvo išbandytas ir perovskitų tandeminiuose saulės elementuose. Tokie elementai laikomi viena perspektyviausių ateities saulės energetikos krypčių, nes skirtingi jų sluoksniai sugeria skirtingas šviesos spektro dalis.
„Naudojant naująjį sprendimą perovskitų tandeminiuose saulės elementuose pasiektas daugiau nei 29 proc. efektyvumas – vienas aukščiausių šiuo metu“, – teigia K. Rakštys.
Paprastam vartotojui tokie sprendimai ateityje galėtų reikšti pigesnę, patvaresnę ir lengviau pritaikomą žaliąją energiją. „Tai atveria galimybes saulės elementus integruoti ten, kur šiandien tai sudėtinga – pavyzdžiui, į pastatų fasadus, langus ar net tekstilę“, – sako mokslininkas.
KTU mokslininkai jau žengia ir komercializacijos kryptimi. Jie toliau vysto savitvarkių monosluoksnių neutralizacijos koncepciją, tiria naujas molekules, galinčias pasiūlyti dar geresnius parametrus.
„Įžvelgę didelį šio išradimo pramoninį potencialą, pateikėme patentinę paraišką. Be to, pristačius šiuos rezultatus specializuotoje saulės elementų mokslinėje konferencijoje sulaukėme vienos didžiausių pasaulyje chemijos pramonės įmonių dėmesio. Pradėjome komercializacijos procesą ir netrukus mūsų sukurtos SAM druskos bus komerciškai prieinamos. Mūsų tikslas – kad ši inovacija kuo greičiau pasiektų pasaulinę rinką ir kitas tyrėjų grupes“, – pabrėžia dr. K. Rakštys.
Saulės elementai paklausūs ir kosmoso pramonėje
Šios savybės aktualios ne tik Žemėje. Pasak K. Rakščio, perovskitiniai saulės elementai dėl lengvumo, plonumo ir atsparumo radiacijai domina ir kosmoso pramonę, kur saulės elementams keliami itin griežti patikimumo reikalavimai.
„Su kolegomis įkūrėme atžalinę įmonę „SantakaPV“, kuri orientuojasi į visai kitą perspektyvą – kosmoso pramonę. Šiuo metu susidomėjimas saulės elementais kosmoso rinkai yra pasiekęs istorines aukštumas – tai nebe tik mokslinė fantastika“, – atskleidžia mokslininkas.
Kosmoso saulės elementų rinkoje dominuoja ypatingai brangios technologijos, o kosmoso ir saugumo technologijoms tampant neatsiejamoms, besivystant privačių kompanijų komerciniams skrydžiams bei mažėjant paleidimo kaštams, saulės energetika čia vaidina kritinį vaidmenį. Sparčiai auga paklausa naujoms, daug pigesnėms bei kosmoso aplinkai atsparioms energijos generavimo technologijoms.
„Pasirodo, tradiciniai Žemėje naudojami silicio elementai kosmose greitai degraduoja dėl radiacijos poveikio, tuo tarpu perovskitai pasižymi neįtikėtinu atsparumu radiacijai, o kosmoso vakuumas perovskitams labai tinkanti terpė, nes ten nėra drėgmės ir deguonies – dviejų didžiausių šios medžiagos priešų Žemėje. Naujausi tyrimai rodo, kad perovskitai išlaiko virš 90 % efektyvumo net po radiacijos dozės, kuri silicio elementus paverčia nenaudingais. Taip pat, perovskitų elementai yra itin ploni ir lengvi, jų galios ir svorio santykis yra 10–20 kartų geresnis nei dabartinių brangių daugiasluoksnių elementų, naudojamų palydovuose“, – reziumuoja dr. K. Rakštys.
Straipsnį „Ionic self-assembled monolayers enable neutral interfaces and synergistic charge extraction in high-efficiency perovskite solar cells“ galima rasti čia.
About the Author
