Saulės elementai, tinkami net kosmosui: Kinijos mokslininkai išsprendė vieną didžiausių jų silpnybių

Saulės elektrinių plokštės dažniausiai įsivaizduojamos kaip sunkūs, standūs ir tamsūs moduliai, montuojami ant namų stogų ar didžiuliuose laukuose. Tačiau ateities saulės elementai gali atrodyti visai kitaip – būti itin ploni, lengvi, lankstūs ir net iš dalies permatomi. Tokias technologijas būtų galima įmontuoti į pastatų langus, drabužius, palydovus ar kosminius aparatus.

Kinijos mokslų akademijos tyrėjai paskelbė sukūrę perovskito ir organinių medžiagų tandeminį saulės elementą, kurio energijos konversijos efektyvumas pasiekė 28,4 procento. Dar svarbiau tai, kad laboratorinių bandymų metu elementas po 625 valandų nepertraukiamo apšvietimo išsaugojo apie 90 procentų pradinio efektyvumo.

Būtent ilgaamžiškumas iki šiol buvo viena didžiausių kliūčių, trukdančių perovskitiniams saulės elementams plačiau įsitvirtinti rinkoje. Jie gali būti lengvi ir efektyvūs, tačiau veikiami šviesos, šilumos bei aplinkos sąlygų ilgainiui praranda savo savybes. Kinijos mokslininkų pasiūlytas sprendimas turėtų šį procesą gerokai sulėtinti.

Vienas elementas sugeria daugiau saulės šviesos

Įprastos saulės elektrinių plokštės daugiausia gaminamos iš silicio. Ši technologija yra patikrinta ir naudojama dešimtmečius, tačiau silicio moduliai paprastai būna gana sunkūs, standūs, o jų gamybai reikia daug energijos ir sudėtingų procesų. Be to, vienas silicio sluoksnis negali vienodai efektyviai panaudoti viso saulės spinduliuotės spektro.

Tandeminis saulės elementas sudarytas iš kelių skirtingų sluoksnių. Kiekvienas jų gali būti pritaikytas sugerti kitokio bangos ilgio šviesą. Paprastai tariant, tai, ko nepanaudoja viršutinis sluoksnis, gali sugerti po juo esanti medžiaga. Dėl to iš to paties saulės šviesos kiekio galima pagaminti daugiau elektros energijos.

Kinijos tyrėjų sukurtame elemente sujungtas perovskito sluoksnis ir organinis saulės elementas. Toks derinys leidžia siekti didesnio efektyvumo, tačiau kartu iškelia sudėtingą užduotį – būtina užtikrinti, kad skirtingos medžiagos ilgą laiką išliktų stabilios ir nepradėtų irti.

Perovskitai ypač patrauklūs todėl, kad jų savybes galima keisti koreguojant cheminę sudėtį. Jie taip pat gali būti dengiami plonais sluoksniais, todėl ateityje tokie elementai galėtų būti daug lengvesni už tradicines saulės plokštes. Vis dėlto būtent sudėties pokyčiai veikiant šviesai iki šiol buvo silpnoji šios technologijos vieta.

Šviesa ne tik kenkia, bet ir sustiprina apsaugą

Siekdami padidinti elemento stabilumą, mokslininkai į perovskito sluoksnį įmaišė šviesai jautrų priedą, vadinamą TDB. Jis atlieka dvi skirtingas funkcijas – vieną gamybos metu, kitą jau pagamintą elementą apšvietus.

Formuojantis perovskito kristalams, priedas sulėtina bromo judėjimą ir padeda cheminiams elementams pasiskirstyti tolygiau. Tai svarbu todėl, kad netolygiai susiformavusioje medžiagoje atsiranda daugiau silpnų vietų, kurios gali mažinti efektyvumą ir paspartinti elemento irimą.

Kai pagamintas saulės elementas pradeda gauti šviesos, TDB molekulės pasikeičia ir tvirčiau prisijungia prie vadinamųjų perovskito grūdelių ribų. Šias ribas galima palyginti su mikroskopinėmis siūlėmis tarp atskirų medžiagos kristalų. Jos dažnai tampa vietomis, kuriose prasideda cheminiai pokyčiai ir atsiranda energijos nuostolių.

Priedas šias silpnąsias vietas stabilizuoja, todėl šviesa, kuri įprastai gali spartinti perovskito irimą, kartu aktyvina ir papildomą apsaugos mechanizmą. Tai viena įdomiausių naujojo metodo savybių – saulės elementas veikiamas šviesos ne tik gamina elektrą, bet ir sustiprina vidines jungtis.

625 valandos dar nėra ilgametė eksploatacija

Bandymų rezultatai atrodo daug žadantys. Elementas pasiekė 28,4 procento energijos konversijos efektyvumą, o po 625 valandų nepertraukiamo apšvietimo išlaikė 90 procentų pradinio našumo. Tai rodo, kad pasirinktas priedas iš tiesų padeda sumažinti medžiagos degradaciją.

Vis dėlto laboratorinis bandymas dar nereiškia, kad tokios saulės plokštės jau paruoštos dešimtmečius veikti ant namo stogo. 625 valandos prilygsta kiek daugiau nei 26 paroms nepertraukiamo apšvietimo. Realiomis sąlygomis saulės elementai patiria ne tik šviesą, bet ir temperatūros svyravimus, drėgmę, mechaninę apkrovą bei ultravioletinę spinduliuotę.

Norint pradėti masinę gamybą, reikės patikrinti, ar toks efektyvumas išlieka gaminant ne mažus laboratorinius bandinius, o didesnio ploto modulius. Taip pat svarbi gamybos kaina, naudojamų medžiagų prieinamumas ir galimybė elementus patikimai apsaugoti nuo aplinkos poveikio.

Tačiau pats rezultatas rodo, kad viena svarbiausių perovskitinių elementų problemų gali būti sprendžiama ne storinant jų konstrukciją ar pridedant sunkius apsauginius sluoksnius, bet pakeičiant procesus pačioje medžiagoje.

Plonos plokštės galėtų atsirasti languose ir palydovuose

Jeigu technologiją pavyktų pritaikyti pramoninei gamybai, jos panaudojimo galimybės būtų gerokai platesnės nei įprastų silicio modulių. Ploni ir lengvi saulės elementai galėtų būti integruojami į dangoraižių ar gyvenamųjų pastatų langus, todėl energiją gamintų ne tik stogai, bet ir dideli fasadų plotai.

Lankstūs elementai teoriškai galėtų atsirasti ant kuprinių, palapinių, transporto priemonių paviršių ar net išmaniųjų drabužių. Tokiais atvejais svarbus ne vien didžiausias įmanomas efektyvumas, bet ir mažas svoris bei galimybė energiją gaminantį sluoksnį pritaikyti prie įvairių formų.

Dar reikšmingesnis mažas svoris yra kosmose. Kiekvienas į orbitą iškeliamas kilogramas didina misijos kainą, todėl lengvesni, bet efektyvūs saulės elementai būtų naudingi palydovams ir būsimiems tolimojo kosmoso aparatams. Jie galėtų suteikti daugiau energijos nedidinant bendros konstrukcijos masės tiek, kiek tai tektų daryti naudojant tradicinius modulius.

Kol kas tai dar nėra technologija, kurią artimiausiu metu bus galima užsisakyti namo stogui. Tačiau Kinijos mokslininkų rezultatai rodo, kad ploni tandeminiai saulės elementai pamažu artėja prie svarbiausio tikslo – ne tik laboratorijoje pasiekti aukštą efektyvumą, bet ir išlaikyti jį pakankamai ilgai, kad technologija taptų praktiškai naudinga.