Lietuviai ir estai sukūrė naują medžiagą, kuri gali pagerinti silicio saulės elementų veikimą

Kylančios elektros kainos lėmė tai, kad sparčiai auga atsinaujinančios energetikos sektorius. Palaipsniui didėjant saulės elektrinių parkų skaičiui, siekiama padidinti saulės modulių efektyvumą – t. y., iš to paties ploto pagaminti kiek įmanoma daugiau energijos.

Šiuo metu mums įprasti ant stogų įmontuoti saulės elementai į elektros energiją gali paversti tik ketvirtadalį visos priimamos Saulės šviesos. Šiam rodikliui pagerinti bandoma sujungti skirtingas technologijas ir sukurti prietaisą, vadinamą daugiasandūriniu (angl. multijunction) saulės elementu. Teoriškai toks prietaisas yra žymiai efektyvesnis ir elektra gali paversti beveik pusę gaunamos Saulės šviesos – tačiau tokias technologijas sudėtingiau pagaminti, tam būtina ieškoti naujų medžiagų ir priemonių. Be to, tenka atsižvelgti ir į gamybos kainos bei tvarumo klausimus.

Tad čia savo atradimą siūlo lietuvių ir estų mokslininkai. Jų tyrimai sutelkti į puslaidininkius (elektronikoje dažnai naudojamus kristalus), kurių cheminė struktūra būdinga kristalinėms perovskitinėms medžiagoms – ABX₃, tačiau vietoje deguonies ar halogenų (kaip jodas, brodas ir kt.) tyrinėjami junginiai, kuriuose X yra siera / selenas, o A ir B – gausiai paplitę ir netoksiški metalai. Naudodami kietafazės reakcijos metodą, mokslininkai pirmą kartą susintetino (pagamino) naują medžiagą – alavo cirkonio titano selenidą, arba Sn(Zr_1−xTi_x)Se₃.  Komanda nustatė, kad šis junginys iš visų ABX₃ variacijų yra perspektyviausias taikymui saulės elementuose.

„Esant dabartinei geopolitinei situacijai Europoje ir turint omenyje aplinkosaugos problemas, svarbu, kad tiriamos naujos medžiagos, galimos atsinaujinančios energijos taikymui, būtų sudarytos iš gausiai gamtoje randamų elementų ir nebūtų kenksmingos“, – teigia pagrindinis tyrimo autorius, FTMC Medžiagų struktūrinės analizės skyriaus vadovas dr. Rokas Kondrotas.

Jo ir kolegų mokslinė grupė nustatė, kad cheminio elemento titano įvedimas, kurio didžiausia koncentracija siekė iki 44 proc., nepakeitė Sn(Zr_1−xTi_x)Se₃  lydinio kristalinės struktūros, tačiau turėjo didelės įtakos optinėms ir elektrinėms medžiagos savybėms.

Kuo didesnė titano koncentracija buvo šioje medžiagoje, tuo labiau jos sugerties kraštas pasislinko į infraraudonojo spektro sritį. Ką tai reiškia? Toji šviesos sritis atsklinda į Žemę iš Saulės – tačiau įprastiniai silicio saulės elementai jos neabsorbuoja, t. y. nesugeria, taigi ir nepanaudoja elektros energijai pagaminti.

Tuo metu Sn(Zr_1−xTi_x)Se₃ puslaidininkiai, mokslininkų sukurti su didele titano koncentracija, gali absorbuoti infraraudonąją spinduliuotę ir paversti ją papildoma energija – šitaip padidindami bendrą silicio pagrindu veikiančio daugiasandūrinio saulės elemento efektyvumą.

Be to, autoriai nustatė, kad titano įvedimas į Sn(Zr_1−xTi_x)Se₃ lydinius gerokai padidino sugerties koeficientą. Ši savybė yra labai svarbi, nes net labai plonyčio sluoksnio (20 kartų plonesnio už žmogaus plauką), pakanka, kad būtų sugeriama visa atsklindanti Saulės šviesa.

Minimas mokslininkų tyrimas yra pirmas žingsnis kuriant naujas tvarias medžiagas, daug žadančias daugiasandūrinių saulės elementų taikymui infraraudonųjų spindulių srityje. Kitas tyrėjų užsibrėžtas tikslas – Sn(Zr_1−xTi_x)Se₃ plonos plėvelės pagaminimas, kuris atvers kelią naujos kartos saulės elemento prototipo sukūrimui. 

Nuoroda į mokslinį straipsnį: „Band gap engineering by cationic substitution in Sn(Zr_1−xTi_x)Se₃ alloy for bottom sub-cell application in solar cells“ (autoriai: R. Kondrotas, V. Pakštas, M. Franckevičius, A. Suchodolskis, S. Tumėnas, V. Jašinskas, R. Juškėnas, A. Krotkus, K. Muska, M. Kauk-Kuusik), Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: https://doi.org/10.1039/D3TA05550G.

Šį projektą finansavo Europos Sąjungos mokslinių tyrimų ir inovacijų programa „Horizontas 2020“ pagal Marie Sklodowskos-Curie dotacijos sutartį Nr. 895046 (projektas „Chalcogenide-perovskites for infrared photovoltaics [IRPV]“).