Perovskitinės saulės elementų technologijos šiandien tampa vienu svarbiausių proveržių pasaulinėje energetikoje, o pažangiausi jų sprendimai kuriami ir čia, Lietuvoje. KTU mokslininkų sukurti junginiai ir molekulinės medžiagos jau naudojami tarptautiniu mastu – nuo Europos iki JAV ir Azijos laboratorijų bei įmonių. Tokie išradimai ne tik rodo Lietuvos mokslinių kompetencijų brandą, bet ir tiesiogiai prisideda prie naujų efektyvumo rekordų, kurie kasmet perbraižo fotovoltikos galimybių ribas.
Vienas reikšmingiausių šios pažangos etapų įvyko prieš penkerius metus, kai mokslo žurnale „Science“ buvo paskelbtas naujas tandeminio perovskito ir silicio saulės elemento efektyvumo rekordas – 29,15 proc. Šis pasiekimas tapo kertiniu momentu visai technologijų krypčiai ir ypač svarbiu įvertinimu Kauno technologijos universiteto (KTU) profesoriaus dr. Vytauto Getaučio vadovaujamai mokslo grupei, sukūrusiai inovatyvius p-tipo organinius puslaidininkius.
Būtent šie molekulinį sluoksnį sudarantys junginiai tapo proveržiu invertuotos struktūros perovskitiniuose saulės elementuose ir padėjo formuoti šiandien plačiai naudojamą tandeminių perovskito ir silicio elementų architektūrą.
Beveik kasmet KTU ir Vokietijoje veikiančio tyrimų instituto „Helmholtz-Zentrum Berlin“ (HZB) mokslininkų pasiektas efektyvumo rekordas pagerinamas maždaug vienu procentu, ir šiuo metu jis siekia 34,9 proc.
„Nors pastarojo rekordo autoriai yra Kinijos kompanijos „LONGi“ tyrėjai, jų sukurtuose elementuose naudojama mūsų pasiūlyta technologija. Šios „sumanios“ mažos molekulės, pasaulyje geriau žinomos kaip SAM, šiandien turi itin didelę paklausą. Vien tai, kad jų patento licencijas yra įsigijusios net keturios gerai žinomos kompanijos (TCI, Japonija; Dyenamo, Švedija; Ossila, Jungtinė Karalystė; Nano-C, JAV), daug ką pasako“, – pasakoja V. Getautis.
Išradimai – užpatentuoti ir komercializuoti
Šalia p-tipo SAM molekulių KTU mokslininkai pasiūlė ir n-tipo puslaidininkius, sudarančius monosluoksnius.
„Neseniai mūsų grupėje buvo apginta daktaro disertacija, kurios autorė Lauryna Monika Svirskaitė susintetino molekulę, „pakrikštytą“ PANDI vardu. Ji naudojama n-tipo organinių puslaidininkių monosluoksniuose, konstruojant įprastos struktūros perovskitinius saulės elementus. Ši junginių klasė taip pat buvo užpatentuota ir komercializuota (TCI, Japonija)“, – dalijasi KTU Cheminės technologijos fakulteto (CTF) ir Technologinių ir fizinių mokslų ekscelencijos centro (TiFEC) tyrėjas V. Getautis.
Jo teigimu, KTU mokslininkai turi dar vieną, chemikams sintetikams kiek neįprastą tikslą – patiems konstruoti ir charakterizuoti prietaisus, ypač perovskitinių saulės elementų srityje, kur šiuo metu sutelktos stipriausios jų kompetencijos.
Grupės nariai stažavosi Oksfordo, Kembridžo, Lozanos, Miuncheno, Kolorado, Liublianos ir Vilniaus universitetuose, kur įgijo praktinės patirties konstruojant saulės elementus. Šiandien KTU tarpdisciplininiame prototipavimo laboratorijų centre „M-Lab“ jau įdiegta visa tam reikalinga įranga, o vadovaujant dr. Artiom Magomedov sukonstruoti pirmieji KTU saulės elementai.
„Šiuo metu tyrimai sutelkti į n-tipo puslaidininkius – nefulereno organinius junginius, galinčius pakeisti šioje srityje dominuojantį fulereną (C60). Pastarasis turi kelis reikšmingus trūkumus: didelius rekombinacijos nuostolius perovskito ir C60 sandūroje, delaminaciją dėl prastos adhezijos su perovskitu ir gana didelę kainą“, – aiškina V. Getautis.
Be to, jo sąveika su aplinkos deguonimi blogina prietaiso veikimą, o didelė parazitinė absorbcija mažina viršutinio elemento srovę perovskito ir silicio tandeminiuose saulės elementuose.
„Pirmieji rezultatai yra daug žadantys – kartu su HZB mokslininkais rengiame publikaciją žurnalui „Nature“ arba „Science“. Taip pat jau užregistravome tarptautinę patentinę paraišką, kurios licenciją, po šio išradimo pristatymo prestižinėse konferencijose, įsigijo Švedijos bei JAV kompanijos. Tai puikus doktoranto Juliaus Petrulevičiaus įdėto didžiulio triūso įvertinimas“, – papildo KTU mokslininkas.
Gali būti pritaikomi kosmose
V. Getaučio teigimu, kitą tyrimų kryptį padiktavo poreikis elektroaktyvių molekulių bešvinių perovskitinių saulės elementų vystymui. Šioje srityje puikių rezultatų pasiekė KTU mokslininkas dr. Mantas Marčinskas – jo pasiūlytos molekulinės struktūros atskleidė aukštą efektyvumą tokio tipo prietaisuose, o sukurti puslaidininkiai buvo užpatentuoti.
„Nemažai dėmesio skiriame saulės elementų stabilumo užtikrinimui. Šiuo tikslu kuriame molekules, kurios pasyvuoja perovskito paviršių ir taip didina jo stabilumą. Tokiu būdu sprendžiamas dar vienas šios srities iššūkis, ribojantis naujos kartos prietaisų komercializavimą“, – pasakoja jis.
Pasak KTU mokslininko, iš šių tyrimų natūraliai išaugo ir dar viena kryptis – perovskitinių saulės elementų pritaikymas kosmose, kur stabilumas tampa ypač kritiniu veiksniu. Dėl savo lengvumo, lankstumo ir didelio galios tankio tokie elementai gali pakeisti tradicines kosminių technologijų alternatyvas, o jų gamyba, taikant tirpalų technologijas ir naudojant palyginti pigias žaliavas, leistų reikšmingai sumažinti kosminių misijų kaštus.
Vis dėlto kosminė aplinka ženkliai didina įrenginių degradacijos riziką, todėl ši sritis tampa dar viena svarbia tyrimų kryptimi, kuria KTU mokslininkai nuosekliai juda.
„Silicio saulės elementų praktinė efektyvumo riba – 29 proc. – jau beveik pasiekta. Tuo tarpu perovskitinių elementų efektyvumas šiuo metu siekia 27 proc., kai teorinė jų riba yra apie 32 proc. Dar įspūdingesni rezultatai pasiekiami tandeminiuose perovskito ir silicio elementuose, kurių teorinė riba siekia net 46 proc. Šiuo metu pasaulio rekordas, kaip minėta, 34,9 proc.“, – pažymi V. Getautis.
Ši tyrimų kryptis yra itin perspektyvi, todėl tiek finansiniai, tiek žmogiškieji ištekliai visame pasaulyje nukreipiami į perovskito ir silicio tandeminių saulės elementų tobulinimą. Pagrindinės jų plėtros kryptys – didesnis stabilumas ir kenksmingo švino atsisakymas.
Lietuvos mokslininkai – žinomi ne tik Europoje
KTU mokslininkas teigia, kad pastarųjų metų mokslinių konferencijų pranešimai neleidžia abejoti artėjančiu naujos kartos saulės elementų proveržiu. Didžiausias sujudimas šiuo metu jaučiamas Kinijos rinkoje, ir tai nestebina – ši šalis pagamina apie 80 proc. visų pasaulyje naudojamų saulės modulių, todėl pokyčiai joje neišvengiamai veikia ir globalią rinką.
Europoje viena ryškiausių šios technologijos lyderių – „Oxford PV“ kompanija, kurios gamykla Vokietijoje jau pradėjo perovskitinių saulės modulių gamybą.
„Šiuo metu esame žinomi ne tik Europoje, bet ir Japonijoje, JAV bei Kinijoje – daugiausia kaip inovatyvių medžiagų kūrėjai ir tyrėjai. Tačiau norint tapti vienu iš Europos perovskitinių ar tandeminių saulės elementų centrų, būtina įgyvendinti jau anksčiau minėtą tikslą – patiems konstruoti ir charakterizuoti prietaisus. Šia kryptimi nuosekliai judame, o didelius lūkesčius siejame ir su KTU Pažangių technologijų kompetencijų centro atidarymu Tunelio g. 60, iš kurio tikimės dar labiau paspartinti infrastruktūros, kompetencijų ir tyrimų plėtrą“, – sako jis.
Glaudus bendradarbiavimas su naujos kartos saulės elementus gaminančiomis įmonėmis yra dar vienas svarbus žingsnis KTU mokslininkų veikloje. Vykdydami „Horizonto“ programos projektus, jie savo sukurtus produktus išbando Vokietijoje įsikūrusiame „Q-Cells“ saulės modulių gamybos padalinyje. Taip pat plečiami bendradarbiavimo ryšiai su Lietuvos įmone „SoliTek“ – didžiausia saulės modulių gamintoja Šiaurės Europoje.
„Bendraautorystė su lyderiaujančiomis mokslo institucijomis ir verslo įmonėmis leidžia mums pasiekti išskirtinių mokslinių rezultatų. Malonu, kai prestižinėse konferencijose beveik kas antrame pranešime minimos mūsų sukurtos medžiagos ir SAM technologija, o komandos nariai kviečiami skaityti pranešimus ar bendradarbiauti. Dažnai po savo pristatymų sulaukiame ir pasiūlymų komercializuoti sukurtus puslaidininkius“, – dalijasi V. Getautis.
Pasak jo, visa tai skatina kurti, ieškoti naujų struktūrų ir jų taikymo galimybių: „Šiame kelyje neretai gimsta netikėti atradimai, apie kuriuos iš pradžių net neįtariama. Tai įtraukia, žavi ir, galima sakyti, net užkrečia.“
Projektą „Technologinių ir fizinių mokslų ekscelencijos centras (TiFEC)“ Nr. S-A-UEI-23-1 finansuoja Lietuvos mokslo taryba ir Lietuvos Respublikos švietimo, mokslo ir sporto ministerija valstybės biudžeto lėšomis pagal programą „Universitetų ekscelencijos iniciatyva“.
