Mokslininkai iš Purdue universiteto (Purdue University) ir Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos (National Renewable Energy Laboratory, JAV) atrado, kad nauja kristalinė medžiaga gali net dvigubai padidinti saulės elementų efektyvumą.
Patys efektyviausi tradiciniai saulės elementai, pagaminti iš silicio, gali į elektrą paversti ne daugiau nei trečdalį į juos patenkančios Saulės energijos – ši ribinė reikšmė yra vadinama Šoklio-Kveizerio riba (Shockley-Queisser limit).
Atrasta nauja medžiaga – kristalinė struktūra, kurioje yra ir neorganinių, jodo ir švino, ir organinių, metilo amonio, medžiagų, gali padidinti Saulės elementų efektyvumą tiek, kad net du trečdaliai šviesos energijos galėtų būti paversta elektra.
Kitaip sakant, ši medžiaga gali padvigubinti Saulės elementų efektyvumą.
Naujoji medžiaga, pavadinta hibridiniu perovskitu, leistų pagaminti plonesnius nei įprastiniai silicio saulės elementus, ji taip pat yra lanksti, pigi ir lengvai apdirbama.
Saulės energijos pasiekia Žemę daug kartų daugiau, nei jos sunaudoja žmonija, bet šią energiją paversti naudinga nėra parasta – 2013 metų duomenimis, tik apie 1 procentas pasaulio elektros energijos buvo pagamintas iš Saulės teikiamos energijos.
Paprastai saulės elementuose naudojamas puslaidininkis silicis, kuris dėl savo fizinių savybių gali elektra paversti ne daugiau nei trečdalį šviesos energijos – dėl vadinamos draustinės energijos juostos – energijos kiekio, reikalingo padidinti elektrono energiją tiek, kad jis ištrūktų iš kristalinės gardelės ir galėtų laisvai judėti, sukurdamas elektros energiją.
Į silicio plokštelę krentantys fotonai gali turėti ir daugiau energijos, nei reikalinga elektronui išlaisvinti, ir tuomet labai trumpą laiką – vos apie vieną pikosekundę (10-12 sek.) egzistuoja elektronai, turintys papildomos energijos. Šie elektronai yra vadinami „karštaisiais nešėjais“ arba „karštaisiais elektronais“, ir jie silicio kristale suspėja nukeliauti ne daugiau nei 10 nanometrų. Po to jie perduoda šią energiją gardelei, kaip šilumą, ir ji yra prarandama. Tai yra viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl silicio saulės elementai negali būti efektyvesni.
Atstumas, kurį karštieji elektronai turėtų nueiti, kad sukurtų elektros srovę, turėtų būti ne mažesnis, nei saulės elemento storis, arba apie 200 nanometrų. Pasirodė, kad tokiame hibridiniame perovskito kristale tai galima pasiekti, ir karštieji elektronai jame gali gyvuoti net 100 kartų ilgiau nei silicyje – apie 100 pikosekundžių.
Šio darbo autoriai teigia, kad jų tyrimas parodė, kad karštieji elektronai standartinėje polikristalinėje perovskito plėvelėje gali nukeliauti atstumą, kuris yra panašus arba didesnis nei plėvelės storis, o tai viena iš būtinų sąlygų, norint sukurti efektyvius perovskito saulės elementus, ir tai patvirtina kad hibridiniai Perovskito kristalai yra potencialiai tinkami efektyviems saulės elementams gaminti.
Tiesa, prieš kuriant komercinius gaminius, dar reikia rasti, kuo būtų galima pakeisti šviną kitomis, mažiau toksiškomis medžiagomis.
Dar viena užduotis – rasti arba sukurti tinkamas medžiagas tokių saulės elementų kontaktams, į kuriuos ir pakliūtų karštieji elektronai.
Šis tyrimas paskelbtas žurnale „Science“.
Crystalline material could replace silicon to double efficiency of solar cells
„Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy“, Science (2017).
Daugiau:
KTU mokslininkai sukūrė unikalią medžiagą, tinkamą naujos kartos saulės elementų gamybai
Pigesni didelio ryškumo LED šviesukai – iš perovskito
„Mokslo sriuba“: pirmasis saulės elementas sukurtas dar prieš 178 metus
Sukurta technologija, padidinsianti saulės elementų našumą
Nauja gamykla gamins individualiai pastatams pritaikytus saulės modulius – fasado elementus
Filmas „Atgal į ateitį“ įkvėpė sukurti Saulės energija įkraunamus drabužius
Termoelektriniai dažai leis šilumos energiją paversti elektra