Ši technologija turėjo mirti laboratorijoje, bet Kinija ją išgelbėjo. Dabar apie tai kalba visi ()
Polimeriniai fotoelektros elementai turi problemą, kuri jau seniai stabdo jų komercializaciją.
© 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!
Kaip suderinti didelį naudingumą su tuo, kad įrenginys neprarastų savo parametrų per trumpą laiką? Kinų mokslininkai teigia radę šios problemos sprendimą. Dar prieš kelerius metus kalbos apie lanksčius, lengvus saulės elementus skambėjo kaip pažadas, kuris visada baigdavosi tuo pačiu sakiniu: „gerai, gerai, bet tuoj subyrės“. Organinėje fotoelektroje naudingumo koeficientą (efektyvumą) galima didinti pasitelkiant vis sumanesnę chemiją ir sluoksnių inžineriją, tačiau jos ilgaamžiškumas vis dar yra „kita operos dalis“. Būtent todėl tiek daug triukšmo sukėlė pranešimai apie naujus polimerinius elementus iš Kinijos.
Kodėl polimerai vilioja, o stabilumo jiems vis trūksta?
Polimeriniai saulės elementai yra didesnės organinių elementų (OPV) šeimos dalis, kurioje šviesą sugeria organinė medžiaga, o ne silicis. Didžiausias jų privalumas paprastas: jie gali būti ploni, lengvi, potencialiai lankstūs ir gaminami tirpalų metodais, o tai teorijoje atveria kelią gamybai, primenančiai dangų spausdinimą ant didelių paviršių. Tai ypač svarbu ten, kur klasikinė panelė yra per sunki arba ją sudėtinga sumontuoti.
|
Praktikoje šios rūšies fotoelektra daugelį metų turėjo tipinę „skaudamą vietą“ – ilgaamžiškumą. Nors efektyvumo parametrai nuolat gerinami, polimeriniai saulės elementai vis tiek sensta dėl cheminių ir fizinių reiškinių derinio. Šviesa, temperatūra, deguonis ir drėgmė gali skaidyti aktyviuosius sluoksnius, o net kai chemija yra atspari, donoro-akceptoriaus sistema laikui bėgant gali pakeisti savo mikrostruktūrą.
Ką tiksliai padarė Uhano tyrėjai?
Uhano technologijos universiteto (Wuhan University of Technology) komanda pasiūlė metodą, kuris smogia šios rūšies fotoelektros problemai tiesiai į šaknis – į ilgų polimerų grandinių elgseną aktyviajame sluoksnyje. Supaprastintai tariant – tokios grandinės turi tendenciją susipainioti ir formuoti netvarkingus agregatus, o tai gadina krūvio transportavimą ir pagreitina degradaciją veikimo metu.
Tyrėjai aprašo strategiją, kurioje į polimerinio akceptoriaus matricą įmaišomas atitinkamai parinktas mažų molekulių akceptorius, kad „išpainiotų“ grandines ir priverstų jas susidėlioti tvarkingiau. Toks pasaulių (polimerų ir mažų molekulių) maišymas nėra tik triukas efektyvumui padidinti; tikslas taip pat yra sumažinti vadinamąjį „laisvąjį tūrį“ fotoaktyviame sluoksnyje ir sukurti efektyvesnius krūvio transportavimo kelius – būtent tuos elementus, kurie laikui bėgant tampa tyliu nuostolių šaltiniu.
Gatavas elementas pasiekė 19,1% energijos konversijos naudingumą, o po 2000 valandų veikimo ore išlaikė 97% pradinės vertės. Tai reiškia 3 procentų efektyvumo kritimą po maždaug 83 dienų nepertraukiamo veikimo. Tad iki prasmingo produkto dar toli, nes vidutinė pramoninių panelių eksploatavimo trukmė išaugo iki maždaug 25–35 metų. Pats 19,1% konversijos efektyvumas taip pat nėra rekordas, nes organiniai fotoelektros elementai jau kurį laiką pasižymi būtent 19–20 procentų naudingumu. Problema ta, kad komercializacija parduoda ne „elementus“, o modulius, ir čia prasideda kitas žaidimas, kuriame dalyvauja elektrodų varža, neaktyvios jungtys, dangų vienodumas ar stabilumas dideliame plote.
Žadantis pasiekimas, bet sudėtingi klausimai vis dar kaupiasi
Pačioje mažų molekulių akceptoriaus įmaišymo idėjoje slypi dar vieni spąstai: kaina ir sintezės mastelio keitimas. PSC/OPV pasaulyje seniai žinoma, kad kai kurios aukšto naudingumo akceptorių klasės gali būti brangios gaminti ir sunkiai gryninamos, o tai tiesiogiai kerta per svajonę apie pigią „atspausdintą“ elektros energiją. Neatsitiktinai 2022 m. žurnale „Nature Communications“ pasirodė darbas, skirtas tam, kaip mažinti mažų molekulių akceptorių sintezės kainą.
Nors šis klausimas nepaneigia kinų požiūrio, jis kelia konkrečių klausimų. Tai taip pat liečia tai, kaip tokia sistema atlaikys karštį, drėgmę, daugiamėnesius terminius ciklus, UV spinduliuotę, mikroplyšius sluoksniuose ant lankstomos folijos ir, galiausiai, perėjimą prie modulių, kur „velnias slypi centimetruose, o ne nanometruose“.
