Kokios yra plastikinių saulės elementų mažo efektyvumo priežastys?

Eksitonai, kuriuos sukuria šviesa, vaidina svarbiausią vaidmenį surenkant saulės energiją plastikiniais saulės elementais. Fizikos profesoriui Ivanui Biagui (Ivan Biaggio) ir doktorantui Pavelui Irkinui (Pavel Irkhin) pavyko parodyti, jog pažangi vaizdavimo technologija organiniuose kristaluose leidžia stebėti tolimąją energiją pernešančių eksitonų difuziją.

Pasak profesoriaus, vienas iš galimų būdų įsivaizduoti eksitonų veikimo mechanizmą – ant grindų išpilti pieno puodelį. Pienas nuo išsiliejimo taško pasklinda po paviršių visomis kryptimis. Kokį atstumas jis sugebės įveikti priklauso nuo paviršiaus rūšies. Dabar galima pabandyti įsivaizduoti, jog pieną pakeičia daleliškosios energijos sankaupos, o grindis – tvarkingas organinių molekulių rinkinys.

I. Biago vadovaujama komanda panaudojo sufokusuotą lazerio pluoštą, kad sukurtų daleles (eksitonus) kristale, sudarytame iš organinių molekulių. Jie sekė eksitonų judėjimą atstumu, nesiekiančiu žmogaus plauko storio, tiesiogiai registruodami šių dalelių spinduliuojamą šviesą. Kitaip nei išlietasis pienas, eksitonai sklinda tiktai kryptimi, atitinkančia tam tikrą molekulių išsidėstymą.

Suvokimas, kaip pasireiškia tikslus eksitonų difuzijos mechanimas, yra itin svarbus kuriant plastikinius saulės elementus, kuriuose šviesos sugertis lemia eksitonų susidarymą. Įprastinėse silicio sistemose saulės šviesa sukuria tiesioginę elektros srovę.

Kuomet eksitonai yra sužadinami plastikiniuose saulės elementuose, jie ima judėti tam tikrų paviršių link. Čia jie verčia elektronus pereiti į išorinę grandinę – taip sukuriamas elektronų pluoštas, vadinamas elektros srove. Šis difuzijos procesas yra vienas iš techninių iššūkių, ribojančių plastikinių saulės elementų efektyvumą.

„Tai pirmasis kartas, kai eksitonai buvo tiesiogiai stebimi molekulinėje medžiagoje esant kambario temperatūrai, – teigia profesorius. – Mes esame įsitikinę, jog mūsų technologija puikiai pasitarnaus kitiems tyrėjams, bandantiems geriau perprasti eksitonų difuziją ir dėl šio reiškinio susidarančius efektyvumo apribojimus“.

Kada mes pagaliau galėsime džiaugtis pigiais ir efektyviai veikiančiais plastikiniais saulės elementais? Pagrindinis daugybės tyrėjų visame pasaulyje tikslas yra pailginti eksitonų difuzijos nuotolius, kol šie prilygs šviesos sugerties nuotoliui, nes būtent tuomet saulės šviesa efektyviausiai surenkama ir paverčiama į energiją.

Darbas, kurį atliko minėtieji mokslininkai, pasirodė liepos 1 dienos žurnalo „Physical Review Letters“ numeryje.

Jį finansavo Lehajo universitetas, skatinantis naujoviškų idėjų ir novatoriškų metodų, susijusių su svarbių tyrimų klausimais, kūrimą.

Naudodami tiesioginį eksitonų difuzijos reiškinio stebėjimo metodą, I. Biagas su P. Irkinu sugebėjo atlikti tikslų difuzijos nuotolio matavimą. Mokslininkai išsiaiškino, jog šis nuotolis tam tikra kryptimi siekia atstumą, kelis šimtus kartų viršijantį dabartiniuose plastikiniuose saulės elementuose išmatuojamą nuotolį. Tai pirmasis kartas, kai eksitonai buvo stebimi molekulinėje medžiagoje esant kambario temperatūrai, tad yra pagrindo manyti, kad platus šios technologijos taikymas leis pasiekti svarių laimėjimų.

„Svarbu tai, kad fizikai tyrinėja patį fundamentaliausią reiškinį, savyje slepiantį mechanizmus, leidžiančius surinkti saulės energiją tam panaudojant pigias organines medžiagas, – apibendrina profesorius. – Organika turi daug neišnaudoto potencialo, todėl itin efektyvi eksitonų difuzija, kurią stebėjome rubrene, gali sudaryti naujų minčių ir technologijų, sukursiančių dar efektyvesnius plastikinius saulės elementus, pagrindą“.