Proveržis saulės energetikoje: šis naujas junginys gali visam laikui pakeisti organines baterijas

Eksperimentui vadovavo „Penn State“ Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros docentė Nutifafa Doumon ir doktorantas Souk Yoon „John“ Kim.

Tyrimo rezultatai buvo įvertinti ir pateko į „ACS Materials Au“ specialų numerį „2025 Rising Stars in Materials Science“, kuris bus išleistas šį mėnesį.

Silicio saulės modulių gamyba reikalauja daug energijos ir pavojingų cheminių medžiagų, o tai kelia rimtų perdirbimo ir atliekų tvarkymo iššūkių. Tuo tarpu organinės saulės baterijos, gaminamos iš mažiau kenksmingų medžiagų ir daro mažesnį poveikį aplinkai, iki šiol buvo per mažai ilgaamžės, kad galėtų būti plačiai naudojamos.

Mokslininkai nustatė, kad naujas anglies ir vandenilio junginys gali sustiprinti organines saulės baterijas ir paversti jas realia alternatyva didelio masto pritaikymui.

Naujas cheminis priedas

Tyrime daugiausia dėmesio skirta naujai medžiagai – kietajam priedui 9,10-fenantrechinonui (PQ). Po atliktų eksperimentų šis angliavandenilinio junginio darinys pasirodė esąs tinkamas ekologiškas stabilizatorius, padedantis sustiprinti organines saulės baterijas.

Organinės saulės baterijos, dar vadinamos organiniais fotovoltiniais elementais, remiasi angliavandenilinėmis medžiagomis ir gana greitai praranda gebėjimą paversti saulės energiją elektra.

„PQ taip pat yra nebrangus, komerciškai prieinamas, saugesnis ir paprastesnis už daugelį dabar naudojamų priedų, įvedamų į gamybos procesą. Geresnis stabilumas yra būtina sąlyga, kad organinės saulės baterijos taptų konkurencingesnės komercinėje rinkoje“, – teigė Kim.

Pasak jo, PQ įtraukimas į sudėtį gali tapti praktišku keliu kuriant tvarius, lengvai mastelius didinančius ir ilgaamžius alternatyvius fotovoltinius sprendimus.

Tyrimo eiga

Mokslininkai pradėjo nuo to, kad Doumon laboratorijoje University Park miestelyje gamino organines saulės baterijas su skirtingomis struktūromis ir įvairiais priedais.

Vėliau šios baterijos buvo tiriamos pagal ilgaamžiškumą, atsparumą ir naudingumo koeficientą, jas veikiant skirtingomis temperatūromis ir aplinkos sąlygomis. Taip buvo vertinamas elementų gebėjimas ilgainiui efektyviai paversti šviesos energiją elektra.

Po bandymų paaiškėjo, kad PQ pagerino ne tik elementų ilgaamžiškumą, bet ir jų naudingumo koeficientą. Naudingumo koeficientas nusako, kokia dalis į elementą patekusios šviesos energijos paverčiama elektros energija. Priedas buvo dedamas į aktyvųjį elementų sluoksnį – tą dalį, kuri sugeria saulės šviesą.

Tvirti rezultatai

Tyrimo rezultatai rodo didelį šio metodo potencialą – gauti skaičiai patvirtina iškeltą hipotezę.

PQ padėjo organinėms saulės baterijoms išlaikyti daugiau kaip 93 % pradinio energijos konversijos naudingumo koeficiento veikiant pastovia šiluma 180 valandų. Įprastai, naudojant dažnai taikomą, bet toksišką priedą, po 180 valandų pavyksta išlaikyti tik apie 76 % pradinio efektyvumo.

Mokslininkų teigimu, net ir nedideli stabilumo patobulinimai gali reikšmingai sumažinti organinių saulės baterijų keitimo dažnį, taip mažinant atliekų kiekį ir išlaidas. Organiniai elementai dažniausiai yra lankstesni, lengvesni ir pigesni gaminti nei silicį naudojantys, tačiau iki šiol jie pasižymėjo gerokai trumpesniu tarnavimo laiku.