Elektros gamybos, naudojant saulės energiją, mastai kasmet auga. Skaičiuojama, kad ir šie metai saulės energetikai vėl bus rekordiniai. Didėjant šios technologijos svarbai, mokslininkai ir inžinieriai intensyviai ieško būdų, kaip dar labiau patobulinti saulės elementus ir padaryti juos efektyvesnius.
Viename iš tokių tyrimų neseniai dalyvavo ir Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto (VU FF) mokslininkai. Dr. Patriko Ščajevo vadovaujama komanda ištyrė, kaip saulės elementų veikimą keičia juose papildomai panaudotas fosforas. Daug žadantys rezultatai publikuoti prestižiniame žurnale „Nature Communications“.
VU FF Puslaidininkinės optoelektronikos tyrimų grupės vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Patrikas Ščajevas pasakoja, kad kartu su kolegomis jau ne vienerius metus atlieka tyrimus, kuriais siekiama išsiaiškinti, kaip papildomai įvedant (legiruojant) vieną ar kitą medžiagą pasikeičia saulės elementų veikimas. Prieš kurį laiką užsimezgė ryšys su JAV technologų komanda, dirbančia su tomis pačiomis problemomis. Tam nemažai įtakos turėjo ir lietuviški ryšiai.
Ten jau dirbantis lietuvis fizikas Darius Kučiauskas gana ilgai domėjosi VU mokslininkų tyrimais. Jam ypač aktualus buvo elektros krūvio nešėjų (puslaidininkiuose tai gali būti tiek elektronai, tiek „skylės“) judrių matavimas, nes jis pats neturėjo galimybės atlikti visų reikalingų matavimų. Darius į Lietuvą atvyksta bent kartą per metus ir kartu atveža bandinių. „Ir mums įdomu, ir jiems nauda. Juolab kad pasauliniu mastu tokie tyrimai yra labai aktualūs“, – pasakoja mokslininkas.
Pirmasis straipsnis, parašytas bendradarbiaujant su amerikiečiais, pasirodė dar prieš penkerius metus. Aukšto lygio bendradarbiavimas tęsiasi iki šiol dėl abipusio intereso: amerikiečių kuriamos ir tiriamos medžiagos domina VU mokslininkus, o amerikiečiams naudinga tai, kad lietuviai geba tiksliai išmatuoti tam tikrus tų medžiagų parametrus.
„Didžiausia jų problema ta, kad jie tarsi atsimušė į našumo lubas. Per pastaruosius kelerius metus rodikliai niekaip nepagerėja. Natūralu, kad kolegos visomis išgalėmis ieško problemos ir galimų jos sprendimo būdų – kitų legiravimo metodų. Mūsų naujausi tyrimai parodė, kad saulės elementuose panaudojant fosforą našumą iš tikrųjų galima pagerinti net 25 proc.“, – teigia dr. P. Ščajevas.
Tyrimai padeda kurti naujos kartos technologijas
VU FF mokslininkai savo matavimuose taikė vadinamąją dinaminių gardelių metodiką, kuri daugelį metų plėtota Lietuvoje. Joje naudojami ir Lietuvoje sukurti lazeriai. Tai gana unikali matavimo metodika, leidžianti nustatyti krūvio nešėjų difuzijos koeficientą – vieną esminių parametrų, lemiančių, kaip veiks iš tiriamos medžiagos pagaminti saulės elementai ir kaip jų našumą keis papildomos medžiagos. Šiuo atveju pavyko atskleisti, kad fosforas turi labai daug potencialo ir gali būti sėkmingai naudojamas masinėje gamyboje.
„Visi mūsų kartu su amerikiečių technologais tirti elementai priklauso tai pačiai grupei. Tobulinant saulės elementus, jie testuojami paeiliui. Labai ilgai legiravimui buvo naudojamas varis, dabar gamyboje dominuoja arsenas. Tačiau eksploatacijos metu, priklausomai nuo elemento, atsiranda skirtingi defektai, skiriasi krūvio transportas, o visa tai daro įtaką našumui. Technologai nėra fizikai – jie dirba bandymų ir klaidų metodu. Todėl mūsų įsitraukimas, atliekant detalesnius matavimus ir skaičiavimus, jiems yra labai naudingas“, – pažymi VU FF Puslaidininkinės optoelektronikos tyrimų grupės vyresnysis mokslo darbuotojas.
Sėkmingas fosforo panaudojimas saulės elementuose gali turėti tiesioginės naudos ne tik gamintojams, bet ir galutiniams vartotojams. 25 proc. našumo padidėjimas reikštų, kad ta pati saulės baterija galėtų pagaminti ketvirtadaliu daugiau elektros energijos arba tam pačiam energijos kiekiui pagaminti prireiktų mažesnio ploto saulės elektrinės.
Toks progresas turėtų didelės įtakos tolesnei saulės energetikos plėtrai, ypač Lietuvoje ir kitose Šiaurės šalyse, kur saulės intensyvumas mažesnis. Efektyvesnės saulės baterijos reiškia trumpesnį investicijų atsipirkimo laiką ir prieinamesnę žaliąją energetiką.
Anot dr. P. Ščajevo, dabar „kamuoliukas“ jau kolegų JAV pusėje. Panašu, kad šiuo metu jų naudojamos technologijos yra išsėmusios savo našumo potencialą. Našumo pagerėjimas, kurį prognozuoja VU Fizikos fakulteto mokslininkai, suteiktų reikšmingą konkurencinį pranašumą. Vis dėlto kyla klausimas, kaip greitai fosforo junginius bus įmanoma panaudoti masinėje gamyboje.
„Žinoma, mes tyrėme testines medžiagas. Kai kalbame apie pramoninio lygio gamybą, viskas yra šiek tiek sudėtingiau. Į procesą dabar turės įsitraukti technologai – jiems teks galvoti, kaip įterpti fosforo junginius, koreguoti gamybinius procesus. Visa tai gali trukti ne vienerius metus. Tačiau perspektyvos – daug žadančios“, – įsitikinęs dr. P. Ščajevas.
