Atei­ties foto­volt­iniai ele­men­tai (FE) bus lanks­tūs, la­bai efek­ty­vūs ir la­bai pi­gūs – jei tik pa­vyks pri­vers­ti juos veik­ti lie­tu­je

Geri dalykai nutinka laukiantiems, ir Tsutomu Miyasaka laukė ilgai. Žinodamas, kad FE gali būti pagamintas, naudojant praktiškai bet kokį pigmentą – kavą, chlorofilą, raudonąjį vyną – Japonijos fizikas bandė įvairiausias spalvotas medžiagas, tikėdamasis rasti rasti pigią ir efektyvią. Tada, vieną 2007 metų balandžio dieną, į Tokijo universiteto laboratoriją įžengė studentas, nešinas neišvaizdžiu mineralu perovskitu.

Pasirodė, tai buvo kažko visiškai neįtikėtino pradžia. Kai Miyasaka paskelbė pirmojo FE, pagaminto iš pervoskito, rezultatus 2009 m., jis iš šviesos energijos konvertuodavo vos 4%. Iki 2012 m., šis skaičius viršijo 10%, medžiaga susidomėjo ir kiti. Komandoms visame pasaulyje tuo užsiėmus, efektyvumas siekia 20%, ir aplenkia daugumą rinkoje esančių FE. „Ši sritis juda labai greitai – visi tuo užsiima,“ sako fizikas Michaelas Johnstonas iš Oxfordo universiteto. Ar tai saulės elementų technologija. kurios visi taip laukė?

Saulė yra praktiškai neribotas švarios energijos šaltinis, per valandą Žemei tiekiantis tiek energijos, kad jos žmonijai pakaktų visiems metams. Dabar FE teikia apie 140 gigavatvalandes (GWh) energijos, arba vos 1 procentą mūsų pasaulinio energijos poreikio. Plačiausiai naudojamiems siliciniams FE nuo jų išradimo penktajame dešimtmetyje prireikė 50 metų, kol jie pasiekė maksimalų maždaug 25% efektyvumą. Plokštės, kurias galite susidėti ant stogo, giedrą dieną pasiekia maždaug 15% efektyvumą, ir gamina elektrą, kurios kaina yra maždaug 50 centų už vatą, dvigubai brangiau, nei įprastinių anglių.

Naujesnės alternatyvos, pavyzdžiui, vario indžio galio selenido (CIGS) ir kadmio telūrido elementai turi savo pranašumų: kadmio telūridas yra pigus, kaip ir silicis, o CIGS gali būti spausdinamas ant lanksčių pavišių. Bet kadangi jų maksimalus efektyvumas yra apie 20 procentų, nei vienas nėra rinkos lyderis. FE rekordininkas jau seniai yra galio arsenidas, saulės energiją į elektrą verčiantis beveik 30% efektyvumu – bet gerokai patuštinantis kišenes.

Miyasaka'os stebuklingoji medžiaga gali viską pakeisti. Perovskitas randamas kaip kalcio titano oksidas visame pasaulyje, gausiausiai – Rusijos Uralo kalnuose, kur jis ir buvo atrastas XIX a. pradžioje. Pavadinimas plačiau naudojamas aprašant komponentų, turinčių panašią struktūrą į šio mineralo, klasę: įsivaizduokite lošimo kauliuką, kurio kiekvienoje sienelėje yra po penketą, kurio kiekvieną tašką sudaro atomas, o pačiame centre – dar vienas atomas. Kristale paprasti būna trys jonų tipai; Miyasaka pirmąjį pavyzdį išaugino iš amoniako, švino ir bromido ar jodido.

©

Pervoskitų kristalinė struktūra

Įprastiniuose FE, puslaidininkis, pavyzdžiui, silicis, absorbuoja šviesą, sukurdamas elektronus ir teigiamą jų atitikmenį – skyles, tada juos atskiria ir iš čia randasi krūvininkų judėjimas – elektros srovė. Nedaug medžiagų gali sugerti tinkamo bangos ilgio šviesą ir atskirti krūvius, taigi, dažais jautrintuose elementuose pridedamas pigmentas, pirma absorbuojantis šviesą ir tada perduodantis krūvį į puslaidininkį atskyrimui.

Proveržis įvyko, kai Miyasaka, dirbdamas drauge su Henry'iu Snaith'u iš Oxfordo universiteto ir kitais, suprato, kad pervoskitui puslaidininkio nebereikia – elektronus ir skyles jis pats gali perkelti geriau. Kaip tiksliai tai vyksta, lieka paslaptis, bet pagal vieną teoriją, kadangi medžiaga lengvai kristalizuojasi, mažiau tikėtina, kad procese atsiras defektų, trukdančių krūvininkams laisvai judėti.

Virš ribų

Koks bebūtų vidinis mechanizmas, medžiaga pigi ir lengvai pagaminama. Pernai mokslininkai, tarp kurių ir Snaithas bei Johnstonas, pademonstravo, kad pervoskito elementus galima gaminti įprastiniu silicio elementų gamybos būdu, fiziniu garų nusodinimu. Snaithas ir dukterinė universiteto kompanija Oxford Photovoltaics rengia dar pigesnį būdą, kai pervoskito tirpalas pilamas ant pagrindo ir leidžiama susikristalizuoti. Snaithas, kuris tikisi pateikti pervoskito FE iki 2016 galo, mano, kad tirpalo būdu gautais FE vieną dieną bus galima gauti elektrą vos už 10 centų už vatą.

Balandį medžiagotyrininkas Yang Yang iš Kalifornijos universiteto Los Angelese, pranešė, kad pervoskito elementais pavyko gauti rekordinį 19,3% efektyvumą, nors sako, kad jo skaičius dar turi patvirtinti JAV Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija. Snaithas kol kas detalių neatskleidžia, bet mano, kad greitai ši medžiaga gali netgi pralenkti tai, ką fizikai Williamas Shockley'is ir Hansas Queisseris spetintajame dešimtmetyje laikė fundamentalia riba. Jie priėjo išvados, kad joks FE negalės paversti daugiau, nei maždaug trečdalio iš Saulės gaunamos energijos elektra. „Imame tirti, ar šioje sistemoje yra kai kas ypatingo,“ sako Snaithas.

Tebelaukia dar daug darbo, kol pervoskitas rimtai startuos rinkoje. Kol kas sukurtuose pervoskituose naudojamas švinas, toksiškas elementas. Šių metų gegužę Snaitho grupė ir iš Pietvakarių universiteto Evanstone, Ilinojuje, parodė, kad alavo pagrindu sukurti pervoskitai irgi atlieka darbą – šių FE efektyvumas, nors sparčiai augantis, kol kas tėra vos keli procentai.

Didesnė problema, kad pervoskitai sugeria drėgmę ir išsipučia, prarasdami šviesos surinkimo savybes. „Tai rimta,“ sako chemikas Prashantas Kamatas iš Notre Dame'o universiteto Indianoje, neseniai ėmęsis šių medžiagų tyrimų. Saulės elementas, kurio negalima palikti lietuje, gali skambėti absurdiškai, bet Snaithas, stengdamasis suderinti medžiagų sudėtį, kad jos nebijotų vandens, pažymi, kad jie gali būti uždengti stiklu, kaip daroma su daugeliu modulių ir dabar.

Perovskito panaudojimas gali netgi neapsiriboti šviesos energetika. Anksčiau šiais metais, Michaelas Grätzelis Šveicarijos Federaliniame technologijų institute Lausanne'oje su kolegomis pademonstravo, kad medžiaga gali ir spinduliuoti šviesą, tiesdama kelią pigiems ryšių lazeriams ar didelės raiškos ekranams. Tokie ekranai galėtų tuo pačiu netgi veikti kaip šviesos rinktuvai, pavyzdžiui reklamos ekranuose, kurie dieną krautųsi. „Toks pritaikymas gal ir ne visai galėtų išgelbėti planetą, bet šiek tiek pinigų uždirbtų,“ sako Snaithas.

Andrew Rappe'as, Pensilvanijos universiteto Filadelfijoje teoretikas, nesusijęs su elementų kūrimu, pervoskito perspektyvas vertina atsargiai optimistiškai. „Manau, šurmulys pagrįstas,“ sako jis. „Tačiau galiausiai gali pasirodyti, kad jis netinkamas praktiškai elektros gamybai, dėl problemų su patvarumu ar gamyba. Bet jie pademonstravo neregėtą šviesos energijos konversijos efektyvumo augimą.“

Snaith as, žinoma, užtikrintas. „Tebesu tvirtai įsitikinęs, kad vieną dieną fotovoltiniai elementai gamins didžiąją dalį mūsų energijos,“ sako jis. „O jeigu pervoskitai išties išpopuliarės per ateinančius dešimt metų, tada jie galėtų gaminti teravatus energijos – ir dabartinė silicio pramonė atrodys kaip nykštukė.“

Tai labai drąsios viltys, sako Miyasaka, tebetęsiantis darbą savo atrastoje srityje. „Jaučiuosi šiek tiek išsigandęs ir atsakingas, bet stengsiuosi iš visų jėgų,“ sako jis.

Jon Cartwright
New Scientist № 2976

Komentarai (1)