Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkai tobulina perovskitus, naujos kartos puslaidininkines medžiagas, galinčias efektyviai sugerti šviesą ir paversti ją elektros energija. Šios medžiagos ateityje gali tapti svarbia saulės energetikos dalimi, nes jų pagrindu kuriamos technologijos galėtų būti efektyvesnės ir mažiau taršios nei tos, kurios plačiai naudojamos šiandien.
Siekdami sudaryti sąlygas platesniam šių technologijų taikymui, mokslininkai tiria ne tik perovskitų gebėjimą generuoti elektros energiją, bet ir jų dielektrines savybes. Aiškinamasi, kaip šios medžiagos reaguoja į elektrinį lauką ir kaip jose persiskirsto elektriniai krūviai, nes būtent šie procesai gali turėti didelę įtaką jų efektyvumui ir ilgaamžiškumui. Tikimasi, kad tyrimo rezultatai padės kurti efektyvesnius ir aplinkos poveikiui atsparesnius saulės elementus bei kitas fotovoltines technologijas.
VU Fizikos fakulteto Taikomosios elektrodinamikos ir telekomunikacijų instituto vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Sergejus Balčiūnas su komanda daugiausia dėmesio skiria perovskitų dielektrinių savybių tyrimui, siekdami geriau suprasti vidinius procesus perovskituose, nustatyti jų efektyvumą ir stabilumą lemiančius veiksnius.
„Hibridiniai perovskitai šiuo metu yra viena perspektyviausių medžiagų saulės energetikoje dėl savo lengvos sintezės žemose temperatūrose ir itin didelio efektyvumo. Pavyzdžiui, įprastų trimačių (3D) perovskitų, tokių kaip metilamonio švino jodidas, pagrindu sukurtų saulės elementų našumas per pastarąjį dešimtmetį sparčiai išaugo ir jau viršija 25 proc. ribą“, – pasakoja dr. S. Balčiūnas.
Pasak jo, platesnį šių naujos kartos medžiagų naudojimą pramonėje stabdo jų neilgaamžiškumas. Veikiami drėgmės ir kitų aplinkos sąlygų tokie perovskitai palaipsniui praranda efektyvumą lemiančias savybes. Siekiant išspręsti šią problemą, mokslininkų dėmesys vis dažniau krypsta į žemos dimensijos (2D) perovskitus. Juose neorganiniai (metalų-halogenidų) sluoksniai yra atskirti organiniais sluoksniais, kurie veikia kaip apsauginis barjeras. Tokios medžiagos tampa gerokai stabilesnės ir atsparesnės drėgmei bei kitiems aplinkos veiksniams.
„Tyrimai rodo, kad perovskitai būna efektyvesni ir stabilesni, kai jų kristalinę struktūrą sudarančiose pagrindinėse vietose naudojami ne vieno, o kelių skirtingų tipų jonai. Nors pramonėje šis mišrių kompozicijų metodas jau bandomas taikyti saulės elementų našumui didinti, mokslo bendruomenei vis dar trūksta sistemingo supratimo, kaip toks jonų maišymas paveikia medžiagų struktūrines bei dinamines savybes. Ši žinių spraga ypač ryški būtent žemos dimensijos perovskitų srityje, kur jonų maišymo efektai iki šiol beveik nenagrinėti, nepaisant intriguojančių šių junginių dielektrinių savybių“, – pasakoja fizikas.
VU mokslininkų komanda sieks išsiaiškinti, kaip skirtingų jonų maišymas įvairiose kristalinės gardelės pozicijose pakeičia šių medžiagų savybes. Tai padėtų kurti efektyvesnes ir praktiniam naudojimui tinkamesnes puslaidininkines medžiagas.
„Nors pasaulyje perovskitų prietaisai dažnai tobulinami bandymų ir klaidų būdu, pramonei trūksta gilaus supratimo, kaip cheminis maišymas leidžia kontroliuoti makroskopines savybes atominiu lygmeniu. Šiame kontekste vienas iš svarbiausių parametrų saulės elementuose – dielektrinė skvarba. Ši medžiagos savybė efektyviai sumažina krūvininkų tarpusavio trauką, leisdama jiems lengviau atsiskirti ir sukurti elektros srovę, dėl to užkertamas kelias energijos nuostoliams ir didinamas elementų našumas“, – aiškina projekto vadovas dr. S. Balčiūnas.
Tyrimo metu bus nagrinėjamos unikalios 2D hibridinių perovskitų polinės savybės. Skirtingai nei įprastuose trimačiuose perovskituose, šiose medžiagose elektriniai poliai gali išsidėstyti tam tikra tvarka, vadinama feroelektrine arba antiferoelektrine. Mokslininkai sieks išsiaiškinti, kokią įtaką ši savybė daro medžiagos veikimui.
„Analizuosime, kaip į kristalinę gardelę įterpti skirtingi molekuliniai katijonai, halogenidų anijonai ar metalų centrai sukuria vadinamąją dipolių frustraciją. Dėl nevienodų jonų dydžių susidaro struktūrinė įtampa, todėl elektriniai dipoliai praranda galimybę idealiai išsirikiuoti į tvarkingą struktūrą. Dėl šio nuolatinio disbalanso mikroskopiniu lygmeniu formuojasi egzotinės dipolinio stiklo ar relaksorinės būsenos, kurios drastiškai padidina bendrą medžiagos dielektrinį atsaką“, – sako VU fizikas.
Kad užfiksuotų šiuos sudėtingus reiškinius, tyrėjai naudos modernią laboratorijos įrangą.
Taikydami plačiajuostę dielektrinę spektroskopiją, mokslininkai matuos dielektrinę skvarbą itin plačiame dažnių intervale – nuo milihercų (mHz) iki gigahercų (GHz). Šis metodas suteiks išsamią informaciją apie molekulinių katijonų (teigiamą elektros krūvį turinčių dalelių) sukimosi dinamiką.
Pasak dr. S. Balčiūno, tyrėjų komanda derins įvairius medžiagos elektrinių savybių matavimus, kad geriau suprastų, kaip keičiasi jos struktūra ir elgsena skirtingomis sąlygomis.
„Nustačius tolimosios tvarkos ir molekulinės dinamikos dėsningumus, tyrimas leis sujungti kietojo kūno mechanizmus su inžinerijos strategijomis. Remiantis gautais rezultatais, bus galima numatyti, kokios jonų kombinacijos leidžia pasiekti didžiausias santykinės dielektrinės skvarbos vertes ir kartu išlaikyti medžiagos atsparumą aplinkos poveikiui“, – pasakoja projekto vadovas.
Šie matavimai bus derinami su elektrinės poliarizacijos tyrimais, siekiant išsamiai suprasti puslaidininkinėje medžiagoje vykstančius struktūrinius pokyčius. Tai leis nustatyti, kokie jonų deriniai užtikrina optimalias elektrines savybes ir kartu padeda išlaikyti medžiagos stabilumą. Tikimasi, kad gautos žinios prisidės prie inovatyvių, atsparesnių ir gerokai efektyvesnių fotovoltinių prietaisų kūrimo.
VU komanda tyrimus atliks kartu su prof. Mirosławu Mączka iš Lenkijos mokslų akademijos Žemų temperatūrų ir struktūrinių tyrimų instituto. Partneriai Lenkijoje prisidės ruošdami mišrių dvimačių hibridinių perovskitų kristalų mėginius ir atlikdami pradinius struktūrinius ir fizinių savybių tyrimus, įskaitant rentgeno difrakciją.
Lenkijos mokslininkų surinkta informacija apie mėginių struktūrą, terminį stabilumą bei optines savybes bus svarbus pagrindas planuojant ir interpretuojant tolesnius sudėtingus plačiajuostės dielektrinės spektroskopijos ir poliarizacijos matavimus Vilniuje. Projekto tarptautiškumą dar labiau sustiprins per trejus metus numatyti trijų kviestinių užsienio mokslininkų vizitai.
Planuojama, kad šie ekspertai dalinsis specifine teorine ir praktine patirtimi, padės spręsti tyrimų iššūkius, konsultuos komandą sudėtingais duomenų interpretavimo klausimais ir skaitys atviras paskaitas VU bendruomenei.
Tyrimo veiklose aktyviai dalyvaus ne tik projekto vadovas dr. S. Balčiūnas, bet ir podoktorantūros stažuotojas bei VU studentai.
„Jauniesiems tyrėjams tai taps unikalia galimybe įgyti praktinės patirties dirbant su modernia moksline įranga, o gautus rezultatus jie galės pristatyti tarptautinėse medžiagotyros konferencijose“, – pabrėžia projekto vadovas.
Tyrimai vykdomi įgyvendinant projektą „Mišrių dvimačių hibridinių perovskitų struktūrinių ir dinaminių savybių analizė“ (Nr. 10-092-P-0001, MPK-34). Projektas finansuojamas Lietuvos mokslo tarybos (LMT) lėšomis pagal priemonę „Mano pirmoji tyrimų komanda“.
Šia LMT programa siekiama skatinti jaunųjų mokslininkų savarankiškumą, suteikiant jiems galimybę suburti savo tyrėjų komandą ir įtvirtinti nepriklausomų tyrėjų pozicijas. Bendra trejus metus truksiančiam projektui įgyvendinti skirta lėšų suma – beveik 350 tūkst. eurų. Tikimasi, kad šio projekto metu sukurtos žinios ir pasiekti rezultatai atvers kelius tvaresnių ir efektyvesnių saulės energijos technologijų plėtrai.
About the Author
