Naujieji saulės elementai muša efektyvumo rekordus: teigiama, kad juos galima gaminti jau šiandien

Silicis jau seniai yra saulės elementų technologijos dalis ir taip yra ne šiaip sau. Jis yra nebrangus, stabilus ir efektyvus. Deja, bet silicis sparčiai artėja prie savo teorinės efektyvumo ribos, bet jo sumaišymas su kitomis medžiagomis gali padėti praplėsti jo galimybes.

EPFL ir CSEM mokslininkai skelbia sukūrę naują metodą, kuris leido sujungti silicio ir perovskito saulės elementų technologijas bei užfiksavo naują saulės elementų efektyvumo rekordą – 25,2 proc.

Šiuo metu rinkoje esantys įprasti silicio saulės elementai gali pasiekti apie 20–22 proc. efektyvumą, o tai tikrai nėra blogai, tačiau technologiškai tai yra praktiškai maksimumas. Pastaraisiais metais perovskitas tampa tinkama alternatyva siliciui. Jei 2009 metais perovskito saulės elementų efektyvumas siekė 3,8 proc., tai 2016 metais jau buvo užfiksuotas 20 proc. efektyvumas. Visgi, perovskitas yra brangesnis už įprastą silicį ir turi savas efektyvumo ribas.

Tačiau perovskito ir silicio bendras panaudojimas saulės elementų gamyboje gali padėti maksimaliai išnaudoti abiejų medžiagų suteikiamus privalumus. Perovskitas geriau konvertuoja žalią ir mėlyną šviesą į elektros energiją, o silicis orientuojasi į raudoną spalvą ir infraraudonuosius spindulius, tad abu jie gali užfiksuoti platesnį spektrą.

„Sujungdami šias dvi medžiagas, galime maksimaliai padidinti saulės spektro išnaudojimą ir padidinti generuojamos galios kiekį. Tyrimas ir skaičiavimai rodo, kad greitu metu pasieksime ir 30 proc. efektyvumą“, – teigia tyrimo autoriai Florent Sahli ir Jereme Werner.

Naujasis komandos silicio-perovskito saulės elemento efektyvumas pasiekė 25,2 proc., o tai viršija ankstesnius tyrėjų pasiekimus: 2015 metų kovo mėnesį jie buvo pasiekę 13,7 proc., o 2016 metų lapkritį – 24,2 proc.

Pagrindinė šio silicio-perovskito saulės elemento problema yra jo gamyba. Paprastai perovskitas ant paviršiaus yra padengiamas skystu pavidalu, tačiau silicio tekstūra apsunkina šį procesą. Silicis sudaro penkių mikronų aukščio „piramidžių“ jūrą, kuri leidžia sugauti ir geriau sugerti šviesą, bet tai reiškia, kad perovskito skystis lieka silicio „piramidžių“ slėnių baseinuose, o „smailės“ lieka juo nepadengtos.

Panašu, kad mokslininkams pavyko išspręsti šią problemą. Siekiant vienodai padengi silicio „smailes“ ir „slėnius“, mokslininkai pirmą kartą panaudojo evaporaciją ir taip sukūrė neorganinį bazinį sluoksnį, kuris padengė „piramides“. Skystas organinis tirpalas įsiskverbia į bazinio sluoksnio poras ir galiausiai komanda substratą šildo iki 150 laipsnių pagal Celsijų temperatūroje. Perovskito sluoksnis kristalizuojasi ir suformuoja ploną plėvelę, kuri apima visą silicio sluoksnį.

Nors tai atrodo gana sudėtingai ir reikalauja daug papildomo darbo, bet mokslininkų teigimu, procesas yra palyginti paprastas ir gali būti įtrauktas į jau egzistuojančias saulės elementų gamybos linijas įgyvendinus vos kelis papildomus žingsnius. Tad silicio-perovskito saulės elementų gamyba ženkliai nepadidintų gamybos kaštų.

„Mes siūlome naudotis jau esančia įranga, tiesiog papildomai pridedant keletą specifinių etapų. Gamintojams tereikės šiek tiek atnaujinti saulės elementų gamybos linijas, kurias jie jau naudoja silicio pagrindu veikiančių elementų gamybai“, – teigė Cristophe Ballif.

Šiuo metu mokslininkai tęsia tyrimus ir siekia dar labiau padinti silicio-perovskito saulės elementų efektyvumą ir ilgalaikį stabilumą. Nors tyrėjų komanda pasiekė reikšmingą progresą, vis dar reikės daug nuveikti, kol jų technologija bus pritaikyta masinėje saulės elementų gamyboje.