Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai, jau anksčiau sukūrę ne vieną naujovę, sukėlusią proveržį saulės energetikos srityje, sugalvojo dar vieną sprendimą, leidžiantį padidinti perovskitinių saulės elementų stabilumą ir našumą. KTU tyrėjų grupė sukūrė naujos klasės medžiagas, kurios atsparios įvairiems aplinkos poveikiams, įskaitant stiprius tirpiklius, naudojamus saulės elementų gamyboje.

Kaune sukurtos inovatyvios medžiagos, saulės elemente pritaikytos kaip skyles transportuojantys sluoksniai, pirmu bandymu leido pasiekti 16,9 proc. invertuotos struktūros perovskito elementų efektyvumą. Tikimasi, kad optimizavus procesą, bus pasiektas dar didesnis efektyvumas.

Sluoksnių atsparumas užtikrinamas termiškai polimerizuojant

Organinės ir neorganinės hibridinės perovskito saulės baterijos sulaukė viso pasaulio dėmesio kaip konkurencinga alternatyva įprastoms saulės elementų technologijoms, kai gamyboje naudojamas silicis. Perovskitiniai saulės elementai yra pigesni, gali būti lankstūs ir turi didesnį galios konvertavimo efektyvumą.

Tačiau mokslininkai vis dar bando išspręsti iššūkius, kylančius dėl perovskitinių saulės elementų stabilumo. Šios daugiasluoksnės, naujos kartos saulės baterijos gali turėti dvi architektūrines struktūras – įprastąją (n-i-p) ir invertuotą (p-i-n). „P-i-n“ struktūroje skyles transportuojančios medžiagos sluoksnis liejamas pirmiau šviesą sugeriančio perovskito sluoksnio.

„Nors „p-i-n“ elementai turi daug pranašumų, lyginant juos su įprastos architektūros perovskitiniais saulės elementais, yra ir rimtų trūkumų. Pavyzdžiui, skyles transportuojantis sluoksnis turi atlaikyti stiprius tirpiklius, kurie naudojami liejant virš jų esantį šviesą sugeriantį perovskito sluoksnį“, – sako KTU Cheminės technologijos fakulteto profesorius Vytautas Getautis.

Siekiant išspręsti šią problemą, „p-i-n“ architektūrose dažnai naudojami skyles transportuojančios polimerinės medžiagos.. Tačiau dėl tirpumo iššūkių polimero sluoksnį suformuoti nėra lengva. Be to, sunku kontroliuoti reakcijų atsikartojamumą ir susintetinti tokią pačią polimero struktūrą. Ieškodami sprendimų, KTU mokslininkai sukūrė skyles pernešantį sluoksnį iš karbazolo molekulių, kuris vėliau buvo termiškai polimerizuotas in situ, kad būtų gauta tinklinė struktūra.

„Tinklinis polimeras turi trimatę struktūrą. Jis yra labai atsparus įvairiems poveikiams, įskaitant stiprius tirpiklius, naudojamus formuojant šviesą sugeriantį perovskito sluoksnį. Iš kelių molekulių grupių sukūrėme medžiagas, kurios panaudojamos skyles transportuojančių sluoksnių gamybai, ir padidina invertuoto perovskitinio saulės elemento efektyvumą iki beveik 17 procentų“, – sako šiuos junginius sintetinusi KTU doktorantė Šarūnė Daškevičiūtė-Gegužienė.

Aukščiau aprašytas išradimas buvo publikuotas mokslo žurnale „Chemical Communications“ (Jungtinė karalystė) ir anonsuotas žurnalo viršelyje. Viršelio paveikslėlį sukūrė Lietuvos dizaino įmonė „And Unicorns“.

Sukūrė saulės elementą, pasiekusį pasaulinį efektyvumo rekordą

Profesoriaus V. Getaučio vadovaujama tyrimų grupė sukūrė daugybę pažangių išradimų, kuriais siekiama pagerinti saulės elementų efektyvumą. Tarp jų – ir susintetinta medžiaga, kuri savaime persitvarko į molekulės storio sluoksnį, dar vadinamą monosluoksniu, lygiai padengiantį įvairius paviršius. Šios medžiagos panaudotos gaminant tandeminį silicio-perovskitinio saulės elementą, kurio efektyvumas itin didelis – jis net 29 proc. krintančios šviesos paverčia elektros energija.

Pasak mokslininko, toks elementas jau greitai bus komerciškai prieinama efektyvesnė ir pigesnė silikono pagrindu pagamintų saulės elementų alternatyva.

„Savo tyrimais siekiame tobulinti esamas perovskitinių saulės elementų technologijas. Geriausią rezultatą pasiekėme vystydami technologiją, kai panaudojama savaime persitvarkantis molekulių sluoksnis. Tačiau mokslinius tyrimus vystome keliomis kryptims – nuolat ieškome būdų, kaip kuo efektyviau išnaudoti saulės energiją“, – teigia V. Getautis.

Nors perovskitiniai saulės elementai – naujovė, lyginant juos su silicio pagrindu gaminamomis saulės elementų technologijomis, yra keletas įmonių, kurios jau yra komercializavusios skirtingus produktus, pagrįstus perovskito technologija. Tarp gaminių – lankstūs pusiau permatomi interjero elementai, dėvimi elektroniniai įrenginiai, skirti kontroliuoti laukinių gyvūnų populiaciją, įvairūs architektūriniai sprendimai. Tai, pasak profesoriaus, tik pradžia.

V. Getaučio teigimu, iš visų atsinaujinančių energijos šaltinių būtent saulės energija turi didžiausią potencialą ir kol kas yra mažiausiai išnaudojama. Tačiau dėl nuolat vykdomų naujų tyrimų ši sritis vystosi eksponentiškai. Prognozuojama, kad iki 2050 m. maždaug pusė žemėje sunaudojamos elektros energijos bus pagaminta iš saulės energijos.

„Saulės energija yra visiškai žalia – ji nieko neteršia, o įrengtiems saulės parkams nereikia skirti daug priežiūros. Vertinant dabartinius įvykius ir energetikos krizę, vis daugiau žmonių domisi saulės elektrinių įrengimu savo namuose arba įsigyja saulės parko dalį, kad galėtų apsirūpinti elektros energija savo poreikiams. Tai – energetikos ateitis“, – įsitikinęs prof. V. Getautis.