KTU chemikų susintetintos medžiagos buvo panaudotos aktyviojo saulės elemento sluoksnio pasyvavimui, taip pasiekiant labai aukštą 23,9 proc. efektyvumą bei ženkliai pagerino prietaiso stabilumą. Mokslininkai iš Lozanos federalinio technologijos instituto (EPFL), Šveicarija, išbandė šį metodą konstruojant perovskitų saulės mini modulius, kurių aktyvus plotas beveik 300 kartų didesnis nei standartinių, laboratorinėmis sąlygomis testuojamų perovskitų saulės elementų. Šie mini moduliai pasiekė rekordinį 21,4 proc. saulės energijos konversijos efektyvumą.
Perovskitų saulės elementai (angl. perovskite solar cells, PSCs) yra viena sparčiausiai besivystančių saulės elementų technologijų pasaulyje. Tokie elementai yra plonasluoksniai, lengvi ir gali būti lankstūs, gaminami iš nebrangių medžiagų. Vis dėlto šio tipo saulės elementai vis dar susiduria su pagrindine problema – gan greita perovskito degradacija veikiant atmosferos sąlygomis, todėl ieškoma būdų kaip tai išspręsti.
Pasyvavimas – tai paprastas, bet labai efektyvus būdas pagerinti perovskitų saulės elementų stabilumą ir šiuo metu laikomas pagrindiniu metodu, siekiant pašalinti perovskitinių medžiagų defektus bei jų neigiamą įtaką. Pasyvuotas perovskito paviršius tampa atsparesnis aplinkos poveikiui, pavyzdžiui, temperatūrai ar drėgmei, ir stabilesnis – prailgėja prietaiso veikimas.
Grupė Kauno technologijos universiteto (KTU) chemikų kartu su mokslininkais iš Kinijos, Italijos, Lietuvos, Šveicarijos bei Liuksemburgo mokslo centrų, panaudodami pasyvavimo metodą ženkliai pagerino perovskitinių saulės elementų stabilumą. Pasyvuojant perovskito paviršius tampa chemiškai neaktyviu, taip efektyviai pašalinant gamybos metu atsiradusius perovskitų defektus. Rekordą pasiekusių mini saulės modulių perovskito sluoksnio paviršius buvo padengtas KTU chemikų sukurtomis medžiagomis.
„Pasyvavimas taikytas ir anksčiau, tačiau iki šiol, pasyvuojant ant tradicinio tridimensinio (3D) perovskito šviesos absorberio buvo formuojamas dvidimensinis (2D) perovskito sluoksnis, kuris apsunkina krūvininkų judėjimą, ypač esant aukštesnei temperatūrai. To labai svarbu išvengti, nes saulės elementai gerokai įkaista“, – sako vienas iš išradimo autorių, KTU vyriausiasis mokslo darbuotojas dr. Kasparas Rakštys.
Siekdama įveikti šią problemą, tarptautinė mokslininkų komanda atliko tyrimą, kurio metu buvo įvertinta mažiausia energija, reikalinga 2D perovskitams susidaryti. 3D perovskito sluoksnio paviršius buvo pasyvuotas skirtingais KTU susintetintais fenilendietilamonio jodido izomerais, kurių molekulinės formulės yra vienodos, tačiau jų atomai erdvėje yra išsidėstę skirtingai, o tai nusprendžia 2D perovskito susidarymo galimybę.
„Tyrimas pasirodė esąs labai veiksmingas siekiant išvengti neigiamo pasyvavimo poveikio saulės elementams. Išsiaiškinta, kad veiksmingiausia pasyvacija pasižymi izomeras, kuriame pasyvaciniai centrai yra išsidėstę arčiausiai vienas kito. Tai apsunkina 2D perovskitų susidarymą dėl erdvinių trukdžių. Įdomu tai, kad erdvinis trukdymas naudojamas ir kitose srityse kaip įrankis norint išvengti nepageidaujamų reakcijų arba jas sulėtinti“, – pasakoja KTU mokslininkas.
Mokslinis straipsnis, kuriame skelbiamas atliktas tyrimas, buvo publikuota viename prestižiškiausių pasaulyje mokslo žurnalų „Nature Communications“.
Šiuo metu KTU mokslininkai bendradarbiaudami su kolegomis užsienyje kuria funkcines, skyles transportuojančias medžiagas bei naujas perovskitų kompozicijas. „Tarptautininis bendradarbiavimas moksle ypatingai svarbus, neįmanoma aprėpti visų sričių dirbant tokioje tarpdisciplinėje sferoje, kur reikalingos tiek chemijos, tiek fizikos, tiek ir medžiagų mokslo žinios“, – teigia K. Rakštys. Jis baigė Taikomosios chemijos magistro studijas KTU, pasirinko doktorantūros studijas Šveicarijoje, vėliau stažavosi Australijoje, o šiuo metu ir vėl darbuojasi KTU.
„Praleidęs daugiau nei 6 metus prestižinėse užsienio mokslo institucijose nusprendžiau, kad savo mokslines idėjas galiu realizuoti Lietuvoje, ir taip prisidėti prie sėkmingo Lietuvos mokslo augimo ir populiarinimo. Tikiu, kad darbas savo šalyje gali teikti daugiau prasmės, įkvėpimo ir savirealizacijos. Prie tokio apsisprendimo stipriai prisidėjo MJJ fondo skirta finansinė parama“.
„Sintetiname, testuojame bei siekiame pritaikyti naujas medžiagas efektyvesnių ir stabilesnių saulės elementų gamybai. Ši sritis labai patraukli, nes perovskitų saulės elementai šiuo metu yra viena sparčiausiai augančių technologijų, o sėkminga jų komercializacija galėtų prisidėti prie klimato kaitos sprendimo būdų“, – sako KTU tyrėjas K. Rakštys.
Tai – ne pirmasis KTU mokslininkų išradimas, pelnęs Lietuvai pasaulinį rekordą. KTU chemikai drauge su Berlyno „Helmholtz-Zentrum“ (HZB) mokslinių tyrimų instituto fizikais pagerino tandeminių silicio-perovskito saulės elementų efektyvumą, kuris šiuo metu siekia 29,8 proc. – tai pasaulinis šio tipo elementų rekordas.
Šaltinis: Cheng Liu, Yi Yang, Kasparas Rakstys, Arup Mahata, Marius Franckevicius, Edoardo Mosconi, Raminta Skackauskaite, Bin Ding, Keith G. Brooks, Onovbaramwen Jennifer Usiobo, Jean-Nicolas Audinot, Hiroyuki Kanda, Simonas Driukas, Gabriele Kavaliauskaite, Vidmantas Gulbinas, Marc Dessimoz, Vytautas Getautis, Filippo De Angelis, Yong Ding, Songyuan Dai, Paul J. Dyson & Mohammad Khaja Nazeeruddin. Tuning structural isomers of phenylenediammonium to afford efficient and stable perovskite solar cells and modules. Nat Commun, 12, 6394, (2021). Prieiga čia.
