Istorinis proveržis saulės energetikoje: naujas priedas leidžia išlaikyti net 93 proc. galios

Tyrimą inicijavo ir vykdė docentas Nutifafa Doumon bei doktorantas Suk Yun „John“ Kim iš Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros.

Tradicinių, iš silicio gaminamų saulės modulių gamyba reikalauja daug energijos ir dažnai naudoja toksiškas medžiagas, todėl apsunkina jų perdirbimą. Tuo tarpu organiniai saulės elementai gaminami iš mažiau kenksmingų medžiagų, yra lengvesni, lankstesni ir teoriškai labiau pritaikomi įvairioms konstrukcijoms.

Tačiau organiniai elementai turi rimtą trūkumą – jie gana greitai praranda gebėjimą paversti šviesą elektra. Dėl riboto ilgaamžiškumo ir stabilumo juos sudėtinga naudoti didelio masto projektuose, pavyzdžiui, jėgainėse ar ilgalaikiuose energetikos sprendimuose.

Naujoji medžiaga PQ: pigesnė, saugesnė ir efektyvesnė

Mokslininkai sutelkė dėmesį į kietą cheminį priedą – 9,10-fenantrenchinoną, trumpai vadinamą PQ. Tai angliavandenilio darinys, kuris eksperimento metu pasirodė esąs ekologiškesnis ir padėjo stabilizuoti organinius saulės elementus.

Pasak Kimo, PQ yra nebrangi, rinkoje lengvai prieinama, saugesnė ir paprasčiau naudojama nei daugelis dabar taikomų priedų. Jis pabrėžė, kad stabilumo pagerinimas yra būtina sąlyga, siekiant, kad organiniai saulės elementai galėtų rimtai konkuruoti komercinėje rinkoje. 

Kimo teigimu, PQ pridėjimas gali tapti praktiniu keliu kuriant ilgaamžiškesnius ir mastelio atžvilgiu lengviau didinamus alternatyvius fotoelementus.

Eksperimentas: skirtingos struktūros ir skirtingi priedai

Laboratorijoje buvo sukurti keli skirtingos struktūros organiniai saulės elementai su įvairiais cheminiais priedais. Juos testuojant buvo matuojamas ilgaamžiškumas, atsparumas ir efektyvumas esant skirtingoms temperatūroms bei aplinkos sąlygoms.

Mokslininkus labiausiai domino, kokią dalį šviesos energijos elementas gali paversti elektra laikui bėgant. Naujas priedas buvo įterpiamas į aktyvųjį sluoksnį – tai yra tą elemento dalį, kuri sugeria saulės šviesą ir pradeda jos pavertimo elektra procesą.

Bandymų rezultatai parodė, kad PQ ne tik prailgina organinių saulės elementų tarnavimo laiką, bet ir pagerina jų efektyvumą. Elementai su šiuo priedu po 180 valandų nepertraukiamo kaitinimo išlaikė daugiau kaip 93 % pradinio energijos konversijos efektyvumo.

Palyginimui, naudojant plačiai paplitusį, tačiau toksišką priedą, po to paties laikotarpio paprastai pavyksta išlaikyti tik apie 76 % pradinio efektyvumo.

Mokslininkai pabrėžia, kad net ir nedidelis stabilumo padidėjimas praktikoje reiškia retesnę elementų keitimo būtinybę, mažesnį atliekų kiekį ir mažesnes eksploatacines išlaidas ilgalaikiuose projektuose.

Tolimesni žingsniai: PQ – dar ne galutinis sprendimas

Doumon pažymėjo, kad PQ neišsprendžia visų organinių saulės elementų problemų. Tai svarbus, tačiau tik vienas iš žingsnių tolesniame tyrimų kelyje. Komanda planuoja tęsti darbus ir tirti kitas kietąsias chemines priedas, lyginant jų poveikį ilgaamžiškumui, efektyvumui ir aplinkosauginiams parametrams.

Mokslininkų teigimu, ilgainiui tokie tyrimai gali atverti kelią naujos kartos organinėms saulės baterijoms, kurios būtų patvaresnės, pigesnės, lengviau perdirbamos ir galėtų tapti rimta alternatyva tradiciniams silicio moduliams tiek buitinėje, tiek pramoninėje energetikoje.