Mokslas ir IT

2019.05.27 16:57

Lietuvos mokslininkai: trečiosios kartos saulės elementų našumas laboratorijose auga, tačiau kelionė iš jų užtruks

LRT.lt2019.05.27 16:57

Energetikų teigimu, didelę, o gal net didžiausią elektros energijos dalį galima pagaminti iš Saulės šviesos. Tiesiog reikia patobulinti dabar naudojamus saulės elementus ir sukurti pigesnių, skirtingomis savybėmis pasižyminčių jų rūšių, rašoma pranešime žiniasklaidai.

Jas kuriant mokslininkų dėmesys sutelktas į iš tirpalų formuojamus organinius ir hibridinius (perovskitinius), dar vadinamus trečiosios kartos, saulės elementus. Nors jų savybės vertinamos palankiai, dar daug reikia nuveikti gerinant jų našumą, stabilumą ir kuriant gamybos technologijas.

„Pirmieji organiniai saulės elementai buvo sukurti beveik prieš 20 metų. Per dešimtmetį pavyko pasiekti apie 10 proc. jų našumą, vėliau maždaug penkerius metus, kol buvo naudojami fulerenai – iš anglies atomų susidedantys molekuliniai rutuliai, vis nesisekė jo padidinti.

Fulerenus pakeitus stambiomis organinėmis molekulėmis, pasiektas 14 proc., o tandeminiuose elementuose – 17 proc. našumas. Šie duomenys gauti laboratorijose, kad jie būtų pasiekti gamyklose, reikia toliau tobulinti gamybos technologijas“, – teigia Fizinių ir technologijos mokslų centro mokslininkas, Lietuvos mokslų akademijos tikrasis narys prof. Vidmantas Gulbinas.

Jis kartu su kolegomis dr. Andriumi Devižiu ir dr. Mariumi Franckevičiumi tiria organinių ir hibridinių saulės elementų medžiagas, jose vykstančius reiškinius, kad pagerintų saulės elementų savybes. Už reikšmingus šios srities pasiekimus šiam mokslininkų kolektyvui skirta 2018 metų Lietuvos mokslo premija.

Nėra paprasta saulės šviesą paversti elektros energija: medžiaga turi sugerti kuo daugiau fotonų, o sugerti fotonai – sukurti krūvininkus, kad šie kryptingai judėdami sukurtų elektros srovę. Organinėse medžiagose sugerti fotonai sukuria elektrono ir skylės poras – eksitonus, kurie išyra į laisvus krūvininkus – elektroną ir skylę. Jie turi gana greitai vienas nuo kito nutolti, kad nespėtų giminiškai rekombinuoti. Siekiant didesnio elementų našumo būtina optimizuoti visus šiuos procesus.

„Vos prieš kelerius metus pasirodę perovskitiniai saulės elementai pasižymi didesniu našumu nei organiniai. Jiems būdingos klasikinių puslaidininkių savybės – geriau sugeriama šviesa, krūvininkai atsiskiria savaime, todėl efektyvumas siekia 24 proc. Perovskitiniai, kaip ir organiniai, elementai dažniausiai formuojami iš tirpalų, retais atvejais – termiškai garinant, ir toks gamybos būdas yra  palyginti nebrangus, – pasakoja prof. V. Gulbinas. – Tačiau šie elementai turi ir trūkumų. Pirmiausia, iš tirpalų suformuotos perovskitinės medžiagos yra nestabilios – susidūrusios su vandeniu, deguonimi jos greitai tirpsta, yra. Antra, jose yra švino, kuris yrant medžiagoms patenka į aplinką. Taigi, vienas mūsų uždavinių – nustatyti, suprasti ir pašalinti perovskitinių medžiagų nestabilumo priežastis.“

Dabar daugiausia naudojami silicio elementai yra našesni, tačiau organinių ir perovskitinių elementų gamyba bei instaliavimas kainuoja mažiau, o tai leidžia sumažinti Saulės energijos kainą. Be to, lankstūs ir su aplinka derantys vadinamieji trečiosios kartos elementai gali būti įvairiau taikomi. Juos galima pagaminti kaip pusiau skaidrią plėvelę ir ja padengti namų, biurų langus, taip pat panaudoti kituose architektūros sprendiniuose, įmontuoti ant transporto priemonių, mobiliųjų telefonų ar žmonių nešiojamų skrybėlių.

Prof. V. Gulbinas kartu su kolegomis sukūrė ir išplėtojo modernius optinius ir elektrinius tyrimo metodus, leidžiančius analizuoti ir valdyti bei optimizuoti organiniuose, perovskitiniuose saulės elementuose vykstančius procesus. Pavyzdžiui, pasiūlė optinį elektrinio lauko matavimo metodą. Jį taikydami tyrė įvairios cheminės sudėties medžiagas, jų prietaisus ir atskleidė elektronų bei skylių generacijos ir judėjimo ypatumus, gavo vertingos informacijos, kaip juos optimizuoti. Daugelis svarbių saulės elementų vyksmų itin greiti, todėl jiems tirti pasitelkti ultrasparčiosios spektroskopijos metodai, įskaitant leidžiančius stebėti iki šiol neištirtus vyksmus.

Pažanga tiriant saulės elementuose naudojamas medžiagas, kuriant pažangias jų gamybos technologijas itin sparti, su šiais procesais susijusius tyrimus atlieka daugelis pasaulio laboratorijų. Jei tempai nelėtės, prognozuojama, kad apie 2050-uosius maždaug pusė elektros energijos bus gaminama iš Saulės. Vis dėlto pasiekti šį tikslą nėra paprasta: reikės išspręsti ne tik elektros energijos generacijos, bet ir paskirstymo, saugojimo problemas, ypač aktualias tokiose šalyse kaip Lietuva, kur Saulė šviečia itin nepastoviai. Lietuvoje iš Saulės kol kas pagaminama tik apie 0,5 proc. visos sunaudojamos elektros energijos, tačiau ši dalis sparčiai didėja, gyventojai ir įmonės įsirenginėja saulės elektrines ant pastatų stogų.

Mums svarbus tikslumas ir sklandi tekstų kalba. Jei pastebėjote klaidų, praneškite portalas@lrt.lt