Inovatyvus KTU mokslininkų požiūris į saulės elementų gamybą gali nulemti rimtus rinkos pokyčius

Grupė Kauno technologijos universiteto (KTU) chemikų drauge su Berlyno „Helmholtz-Zentrum“ mokslinių tyrimų instituto fizikais pasiūlė naują požiūrį į perovskitinius saulės elementus. Mokslininkų pasiūlyta nauja sluoksnių formavimo technologija šiuose saulės elementuose gali ne tik sumažinti jų gamybos sąnaudas, kaštus, bet ir prailginti gyvavimo trukmę.

KTU mokslininkų pasiūlyta inovacija yra susijusi su selektyvinio sluoksnio formavimu perovskitiniuose saulės elementuose. Jie susintetino medžiagą, kurios molekulės pačios susiorganizuoja į sluoksnį, lygiai padengiantį skirtingus paviršius. Naujasis elektrodo sluoksnio formavimo būdas yra ne tik efektyvesnis, nes vienodai padengia įvairius paviršius, kas ypač svarbu vystantis saulės technologijoms, bet ir pigesnis.

Perovskitiniai saulės elementai smarkiai veržiasi į priekį saulės energijos technologijų srityje ir konkuruoja dėl efektyvumo su jau įsitvirtinusiomis saulės energijos technologijomis, naudojamomis visame pasaulyje. Svarbus žingsnis šių naujos kartos saulės elementų masinės gamybos link yra efektyvių selektyvių kontaktinių sluoksnių vystymas.

Pranoksta iki šiol naudotus metodus

Metodai, kurie šiuo metu naudojami sluoksnių formavimui perovskitiniuose saulės elementuose, yra vakuuminis garinimas ir dengimas sukant (angl. spin-coating). Pasak mokslininkų, abu turi nemenkų trūkumų – naudojant dengimo sukant metodą prarandamas didelis kiekis medžiagų, o garinimo metodas reikalauja aukštos temperatūros ir sudėtingų vakuumo technologijų. Be to, ne visos molekulės yra tinkamos garinimui.

Siekdami efektyvinti perovskitinių saulės elementų gamybą, KTU mokslininkai susintetino medžiagą, kurios molekulės pačios tvarkingai „išsirikiuoja“ į vienos molekulės storio sluoksnį.

„Naudojami ne polimerai, bet mažesnės molekulės, o susiformavęs monosluoksnis yra labai plonas. Tai ženkliai atpigina procesą lyginant su šiuo metu egzistuojančiomis alternatyvomis. Be to, mūsų junginio sintezės kelias yra žymiai trumpesnis nei polimerų sintezė“,– aiškina KTU Cheminės technologijos fakulteto doktorantas Ernestas Kasparavičius.

KTU Cheminės technologijos fakulteto laboratorijose susintetintos medžiagos buvo išbandytos realiuose perovskitiniuose saulės elementuose. Tai atliko grupė Berlyno „Helmholtz-Zentrum“ mokslinių tyrimų instituto fizikų, vadovaujama dr. Styvo Albrechto, bendradarbiaudama su KTU doktorantūros studentu Artiomu Magomedovu. Šis, atlikęs praktiką Berlyne, pats išbandė naująją medžiagą persovskitiniuose saulės elementuose.

„Laboratorijoje Kaune tyrinėjome savaime persitvarkančių molekulių naudojimą elektrodo sluoksnio formavimui, kuris būtų 1-2 nm plonumo ir tolygiai padengtų visą paviršių. Praktikos Berlyne metu turėjau galimybę pritaikyti mūsų medžiagą ir pagaminti pirmąjį veikiantį saulės elementą tik su monosluoksniu“,– pasakoja A. Magomedov.

Svarbus jaunųjų tyrėjų indėlis

Tyrimo grupės vadovas, KTU profesorius Vytautas Getautis pabrėžia jaunųjų tyrėjų indėlį viso tyrimų proceso metu.

„Paprastai vadovas pateikia mintį, idėją, o doktorantai ją įgyvendina. Šiuo atveju jaunieji mokslininkai ir išgeneravo pačią idėją, ir realizavo ją saulės elementų gamyboje“, – sako V. Getautis.

Saulės elementų gamyboje naudojant monosluoksnio technologiją net tik patiriamos ženkliai mažesnės sąnaudos, bet ir padidinamas elemento veiksmingumas. Patikrinus Berlyne pagaminto saulės elemento kokybę, paaiškėjo, kad jo galios konversijos efektyvumas siekė beveik 18 proc., kas naujai technologijai yra itin geras rezultatas.

Be to, kai elektrodai formuojami monosluoksnio savitvarkos būdu, jokie papildomi priedai elemento efektyvumo gerinimui yra nereikalingi. Tai gali ženkliai prailginti elementų gyvavimo trukmę.

Laukia patento bei siekia komercializuoti

KTU mokslininkai nuolat tobulina atrastas medžiagas ir technologijas. Šiandien naujuoju būdu pagamintų saulės elementų efektyvumas pakilo iki 21 proc.

Sėkmingo Lietuvos chemikų ir Vokietijos fizikų bendradarbiavimo rezultatai paskelbti aukšto cituojamumo (IF 21,875) žurnale „Advanced Energy Materials“ (“Self‐Assembled Hole Transporting Monolayer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells”).

Kadangi tokio pobūdžio perovskitinių saulės elementų tyrimai nebuvo daromi anksčiau ir gali turėti svarbios įtakos šių elementų gamybos procesui, Berlyno „Helmholtz-Zentrum“ mokslinių tyrimų instituto ir KTU komandos pateikė prašymą patentui gauti. Jau ruošiant šią informaciją KTU Nacionalinis inovacijų ir verslo centras (NIVC) informavo, kad išradimu jau susidomėjo viena Japonijos kompanija. Pradėtos derybos dėl licencijos pardavimo.