„Tai tikra magija“. Atskleista paslaptis, kaip 100 % saulės šviesos paversti elektra. Fotovoltinių elementų rinka sprogs ()
Jei šiuos rezultatus pavyks perkelti į pramonines technologijas, galime tikėtis paprastesnių, pigesnių ir efektyvesnių saulės elementų, kurie pagreitintų pasaulinę energetinę transformaciją.
© Bru-nO (Free Pixabay license) | https://pixabay.com/photos/solar-cell-solar-panel-photovoltaic-4045029/
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Kartais didžiausi mokslo atradimai įvyksta ten, kur niekas jų nesitiki. Taip gali būti ir su organiniais puslaidininkiais, kurie ilgą laiką buvo laikomi medžiaga, turinčia ribotą potencialą saulės elementuose. Tačiau Kembridžo mokslininkai nusprendė mesti iššūkį šioms prielaidoms ir pasiekė kažką, kas gali reikšmingai paveikti fotovoltinės energetikos plėtrą.
P3TTM kvantinės paslaptys ir revoliucinis potencialas
Viskas prasidėjo nuo medžiagos, pavadintos P3TTM, kuri pasirodė turinti nepaprastų kvantinių savybių. Būtent joje specialistai aptiko mechanizmą, iki šiol stebėtą tik neorganinėse medžiagose. Tai itin įdomu, nes toks atradimas primena prieš šimtmetį atliktus darbus, parodydamas, kad mokslinė praeitis vis dar gali priminti apie save su dviguba jėga.
„Tai tikra magija. Daugumoje organinių medžiagų elektronai yra suporuoti ir nesąveikauja su savo kaimynais. Tačiau mūsų sistemoje, kai molekulės glaudžiai susipakuoja, sąveika tarp nesuporuotų elektronų kaimyninėse vietose skatina juos išsidėstyti pakaitomis – aukštyn ir žemyn,“ – pasakoja tyrimo vadovas Biwen Li.
|
Šis mechanizmas primena Mott–Hubbardo izoliatoriaus elgseną, kas yra tikra staigmena organinių medžiagų pasaulyje. Kai šviesa krenta ant šios medžiagos, elektronai ima elgtis neįprastai – jie „šuoliuoja“ tarp molekulių ir sudaro elektros krūvius, paruoštus panaudojimui.
Kuo išskirtinis yra P3TTM?
Kalbant konkrečiau, P3TTM pasižymi 1,72 eV energijos tarpu, kas atitinka maždaug 720 nanometrų šviesos emisiją. Eksperimentų metu mokslininkai pastebėjo du švytėjimo tipus – momentinį, ties 645 nm, ir uždelstą, pasireiškiantį po mikrosekundės ties 800 nm. Šis antrasis komponentas atsiranda dėl anijonų ir katijonų porų rekombinacijos, o tai patvirtina efektyvų krūvio atskyrimo procesą.
Didžiausiu komandos pasiekimu tapo įrenginys, pasiekęs beveik 100 procentų krūvio surinkimo efektyvumą. Tai reiškia, kad praktiškai kiekvienas į medžiagą patekęs šviesos fotonas paverčiamas naudingu elektros krūviu. Toks atradimas griauna esminius tradicinių saulės elementų apribojimus – įprastai energijos konversijai reikalinga dviejų skirtingų medžiagų sąlyčio zona. Šiuo atveju visas procesas vyksta vienos rūšies molekulėse, kas yra tikras lūžis fotovoltinėje technologijoje.
Ne mažiau svarbūs ir teoriniai patvirtinimai. Kvantinės chemijos skaičiavimai, atlikti TDDFT metodu, parodė singletinių tarp-molekulinių krūvio pernašos būsenų egzistavimą, esančių apie 0,4 eV žemiau lokalizuotų P3TTM egzonų. Šis energijos skirtumas puikiai atitinka stebimas fotoliuminescencijos savybes. Tyrėjai taip pat nustatė, kad fotogeneracijos kvantinis efektyvumas siekia iki 40 procentų – tai itin aukšta vertė organinėms medžiagoms. Be to, stiprus magnetinio lauko poveikis raudonajai emisijai patvirtina, kad tarp-molekulinė krūvio pernaša priklauso nuo P3TTM porų sukinio būsenų.
Kokias galimybes atveria šis pasiekimas fotovoltikos sektoriui?
Tradiciniai silicio ir dauguma organinių saulės elementų reikalauja donoro-akceptoriaus sąlyčio zonos – ribos tarp dviejų skirtingų medžiagų, kad būtų galima atskirti fotoegzitoną į laisvus krūvius. P3TTM atveju krūvio atskyrimas vyksta vienoje medžiagoje, dėl ypatingo molekulių išsidėstymo ir stiprių sukinio sąveikų, primenančių Mott–Hubbardo izoliatorių. Tai sukuria tarp-molekulinius krūvio pernašos būsenas, kurios skatina savaiminį elektrono ir skylės atsiskyrimą.
Taip pašalinamas sudėtingiausias saulės elemento architektūros komponentas – tikslios, brangios ir degradacijai jautrios sąsajos. Atsiveria kelias į vieno sluoksnio, paprasčiau gaminamus fotoelementus, kuriuos galima spausdinti ritininėmis technologijomis ant lanksčių pagrindų, mažinant gamybos kaštus ir anglies pėdsaką.
Praktiškai tai reiškia, kad saulės modulius būtų galima gaminti iš vienos medžiagos, nereikalaujant sudėtingų donorų-akceptorių sąsajų. Tai gali reikšmingai supaprastinti gamybą ir sumažinti išlaidas, nors kelias nuo laboratorinio atradimo iki komercinio pritaikymo paprastai būna ilgas ir sudėtingas. Jei šiuos rezultatus pavyks perkelti į pramonines technologijas, galime tikėtis paprastesnių, pigesnių ir efektyvesnių saulės elementų, kurie pagreitintų pasaulinę energetinę transformaciją. Tačiau prieš tai reikės atlikti tolesnius tyrimus ir bandymus realiomis sąlygomis.
