Kaip KTU sumušė dar vieną rekordą ir sukėlė didelę sensaciją mokslo bendruomenėje

Svajojate ant stogo išsikelti saulės kolektorių ir gamintis nemokamą energiją? Jūs tikrai ne vienas! Saulės energetikos populiarumas pasaulyje kyla eksponentiškai, o šio atsinaujinančio išteklio išnaudojimas leidžia ne tik sutaupyti pinigų, bet ir sumažinti neigiamą mūsų veiklos įtaką visai planetai.

Vis dėl to, nors saulės energijos panaudojimas vis populiarėja, o daugelyje šalių susilaukia ir valstybinio lygio paramos, platesniam šių technologijų pritaikymui dar vis kiša koja kaina. Skaičiuojama, jog jei dabar įsirengtumėte tipinę Lietuvoje vidutinės galios saulės elektrinę, ji atsipirktų per maždaug septynerius metus. Taigi tik po septynerių metų galėtumėte naudotis „nemokama“ elektra.

Būtent todėl mokslininkai visame pasaulyje stengiasi ištobulinti technologijas, leidžiančias atpiginti saulės elementus. Pergales šioje srityje skina ir Lietuvos mokslininkai.

_{^{Lietuvoje kuriamos medžiagos – skystas auksas naujos kartos saulės elementų rinkoje}}

2015-aisiais Kauno Technologijos Universiteto (KTU) chemikams pavyko padaryti neeilinį atradimą – sukurti junginį, skirtą naujos kartos hibridiniams, kitaip vadinamais perovskitiniais, saulės elementams kurti. Ši medžiaga, mokslininkų vadinama „V886“, yra tokia pat efektyvi, kaip ir iki tol žinomi, saulės elementų gamybai skirti junginiai. Tačiau ji – net 7-8 kartus pigesnė.

„Su šia medžiaga sukurtas saulės elementas yra žymiai pigesnis, nes paprastesnės jo gaminimo technologijos,“ – sako prof. dr. Vytautas Getautis, „V886“ susintetinusios mokslinių tyrimų grupės vadovas. Šiuos elementus pagamino ir išbandė KTU mokslininkų partneriai Lozanos federaliniame technologijos institute, Šveicarijoje.

KTU mokslininkų atradimas buvo paskelbtas prestižiniame chemijos mokslų žurnale „Angewandte Chemie International Edition“. Tuo tarpu, vos apie šiuos rezultatus pranešus tarptautinėje konferencijoje, „V886“ patento licenciją nupirko Japonijos kompanija „Tokyo Chemical Industry“.

Šiuo metu jau pagaminti ir saulės elementų, naudojančių „V886“, komerciniai prototipai. Tikimasi, kad tokie saulės elementai pasaulinę rinką pasieks už vienerių ar dvejų metų. Tačiau šis lietuvių tyrėjų pasiekimas buvo tik pradžia.

KTU Organinės chemijos katedroje kuriami nauji, iki šiol neegzistavę organiniai junginiai, turintys puslaidininkių savybių. Puslaidininkiai saulės elementuose konvertuoja šviesą į elektros energiją.

Iki šiol rinkoje yra paplitę silicio saulės elementai. Silicis – puikus neorganinis puslaidininkis, tačiau jo kasybos ir apdorojimo procesas yra ilgas ir brangus. Tai lemia ir santykinai didelę tokių saulės elementų kainą.

„Neorganiniai junginiai yra tvirti ir ilgaamžiai, šiuos parametrus labai sunku pralenkti.“ – sako prof. dr. V. Getautis. „Tačiau jų apdorojimui reikalingos sudėtingos technologijos, aukšta temperatūra, didelės energijos sąnaudos.“

Todėl saulės elementų pramonei labai svarbūs inovatyvūs organinių medžiagų tyrimai. Šias medžiagas pagaminti daug paprasčiau, jų reikia labai nedaug. Organiniai puslaidininkiai naudojami naujos kartos hibridiniams saulės elementams gaminti.

„Šių technologijų privalumas yra ir tai, jog reikalingi labai nedideli medžiagos kiekiai.“ – sako prof. dr. Vytautas Getautis. „Modulio padengimui organine medžiaga jos tereikia vos kelių miligramų.“

Todėl net išaugus hibridinių saulės elementų produkcijai ir paklausai, tokių organinių medžiagų pasaulinis poreikis per metus būtų skaičiuojamas kilogramais. Tuo tarpu, vos 1 kW galingumo silicio pagrindo saulės moduliui, reikia net kelių kilogramų silicio! Todėl KTU mokslininkų gaminamų medžiagų vertę galima prilyginti tauriesiems metalams.

Hibridiniai saulės elementai, skirtingai nei gaminti silicio pagrindu, yra ne tik pigesni. Dėl juos sudarančių medžiagų savybių, tokių modulių gamyba daug paprastesnė, jie gali būti lankstūs, permatomi, ir itin atsparūs mechaniniams pažeidimams. Tuo tarpu įsigijus brangius silicio saulės elementus, net mažiausias modulio pažeidimas gali lemti visos jėgainės veikimo pabaigą. Tai padidina riziką, jog investicija neatsipirks.

KTU mokslininkų sukurto „V886“ organinio junginio paslaptis – jam pagaminti tereikia dviejų cheminių reakcijų. Pirmoji, taip vadinama „klik“ reakcija – labai paprasta. Reikiamas junginys susidaro vos sumaišius du reagentus. Tuo tarpu, antrasis etapas šiek tiek sudėtingesnis – jam reikia katalizatorių, tirpiklių, absorbento. Dėl to šis žingsnis yra ir truputį brangesnis. Tačiau, pasak prof. dr. V. Getaučio, „V886“ yra daug ekonomiškesnis už kitas panašių medžiagų alternatyvas, nes jas sukurti reikia dar daugiau etapų bei brangių katalizatorių.

_{^{2019-aisiais sumuštas dar vienas rekordas}}

„V886“ sukėlė didelę sensaciją mokslo bendruomenėje ir saulės elementų rinkoje. Tačiau KTU chemikai nesnaudžia, ir nuo tada jiems pavyko sukurti dar ne vieną nuostabų junginį, dar labiau patobulinantį šį procesą!

Netrukus po to, kai baigė patentuoti bei pardavė „V886“ licenciją Japonijos chemijos pramonės gigantei, KTU chemikai atrado ir dar efektyvesnę medžiagą, kurios produkcijai reikalingas vos vienas etapas. O dar šiek tiek vėliau, 2018-aisiais, kartu su partneriais iš Vokietijos mokslininkai sukūrė naują molekulę, kuri pati savaime sudaro vientisą vienos molekulės storio sluoksnį ant dengiamo paviršiaus.

Ši savybė yra be galo svarbi hibridinių saulės elementų kūrimo procese. Šie elementai sudaryti neorganinės medžiagos, vadinamos perovskitu, pagrindu. Dažniausiai šio pradinio sluoksnio paviršius nelygus, todėl jį labai sunku padengti organine medžiaga. O tai, kokie metodai naudojami paviršiaus padengimui organiniais puslaidininkiais, iš dalies lemia ir hibridinių saulės modulių kainą bei efektyvumą.

Kai kurios populiarios technologijos, pavyzdžiui, taip vadinamas „spin-coating“, kai ant neorganinio paviršiaus užlašinamas tam tikras medžiagos kiekis ir modulis centrifuguojamas tol, kol medžiaga padengia visą paviršių, yra labai neefektyvios. Tokiu būdu išvaistoma didžioji dalis organinės medžiagos, t.y., to paties „skysto aukso“, kuris kuriamas tam, kad sumažintų saulės elementų kainą.

KTU mokslininkų išrastas metodas leidžia ant dengiamojo paviršiaus užlašinti labai nedidelį praskiestos organinės medžiagos kiekį. Tuomet jos nebereikia nei centrifuguoti, nei purkšti, ar kitaip užtikrinti, kad ji padengtų visą reikalingą paviršių. Medžiaga pati savaime pasiskirsto į plonytį, 1-2 nanometrų (1/1 000 000 milimetro) storio sluoksnį, kurio pakanka reikiamam puslaidininkių savybių turinčiam saulės modulio paviršiui sukurti.

Šis metodas – itin efektyvus, nes panaudojamas minimalus medžiagos kiekis, ji neiššvaistoma. Todėl tokius saulės elementus apsimoka gaminti ir industriniu mastu.

Lietuvių išradimas tinkamas dengti bet kokio tipo saulės elementus, todėl atveriamos galimybės ir inovatyvių, pavyzdžiui, lanksčių ar permatomų saulės elementų rinkai.

Palyginus su tradiciniais, silicio pagrindu kuriamais saulės elementais, vienas pagrindinių šiuo metu gaminamų perovskitinių saulės elementų trūkumų yra tai, jog jie labai maži bei greit suyra. Tačiau tikimasi, jog KTU mokslininkų išrasta technologija padės įveikti ir šiuos hibridinių elementų trūkumus. Šiuo metodu dengiant saulės elementų paviršių nereikia jokių pagalbinių medžiagų, o tai, pasak mokslininkų, gali žymiai prailginti tokių elementų gyvavimo laiką. Be to, kartu su partneriais iš Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) Vokietijoje, mokslininkai sukūrė iki šiol didžiausią paviršiaus plotą turintį hibridinį saulės elementą, pagamintą būtent pagal šią technologiją.

2019-ųjų rugsėjo 11 d. Marselyje, Prancūzijoje, vykusioje didžiausioje pasaulyje fotovoltinių elementų ir saulės energijos parodoje–konferencijoje, lietuvių sukurtas saulės elementas sumušė ir dar vieną, ko gero, svarbiausią pasaulio rekordą.

KTU ir partnerių Vokietijoje sukurtas saulės modulis pasiekė 23,26% procentų efektyvumą. Tai reiškia, jog net 23,26% saulės šviesos, pasiekusios į saulės elementą, paverčiama elektros energija. Tai didžiausias iki šiol pasiektas efektyvumo lygis tokio tipo saulės elementuose. Šiems naujiesiems lietuvių sukurtiems monolitiniams hibridiniams saulės elementams registruojami net du nauji patentai.

_{^{Kaip atliekami tokie pasaulinę reikšmę turintys atradimai?}}

Pasak mokslininkų, šių pasaulinių rekordų pasiekti nebūtų pavykę be daug kryptingo komandinio darbo.

„Tokio legendinio „Eureka!“ momento šiame darbe dažniausiai nebūna,“ – sako vienas KTU Organinės chemijos katedros mokslininkų, dr. Tadas Malinauskas. „Nauji junginiai atsiranda kryptingai: darbo eigoje pastebi įdomius rezultatus, pagalvoji kaip esančius junginius galėtum patobulinti.“

„Prie šių atradimų prisideda labai didelė komanda, visų indėlis labai svarbus,“ – pasakoja mokslininkai.

Šių lietuvių mokslininkų ir jų užsienio partnerių dėka galime tikėtis, jog jau netolimoje ateityje džiaugsimės dar pigesniais ir efektyvesniais saulės elementais, kuriuos vertės įsirengti ant kiekvieno gyvenamojo namo stogo, taip taupant ne tik pinigus, bet ir visos planetos išteklius!

Šaltinis: Technologijos.lt