Mokslininkai ne tik nori kurti efektyvesnius saulės elementus, bet ir siekia užtikrinti, jog šių konstrukcija būtų kuo paprastesnė.
Vladekas Valukievičius (Wladek Walukiewicz), dirbantis Lorenco Berklio nacionalinėje laboratorijoje (JAV), yra įsitikinęs, jog tai įmanoma pasiekti naudojant tam tikrų puslaidininkių derinį. Jo vadovaujama tyrėjų komanda domėjosi galio azoto arsenido GaNAs junginiais, o gautus rezultatus publikavo „Physical Review Letters“ žurnale.
„Saulės elementuose, pagamintuose iš įprastinių puslaidininkių, elektros srovę sukuria elektronų ir skylių poros, kurios dėl fotoelektrinio sužadinimo kerta draudžiamosios energijos tarpą, skiriantį laidumo ir valentines juostas, – aiškina V. Valukievičius. – Elektros srovę gali sukurti tik tie fotonai, kurių energija yra didesnė už atitinkamą draudžiamosios energijos tarpą. Dėl to kyla vadinamoji saulės elementų galios kitimo dilema“.
Su dilema susiduriama, kuomet „mažo draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkis sugeria daugiau fotonų ir sukuria stipresnę srovę, bet silpnesnę įtampą, kai tuo tarpu analogiškas didelio draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkis sukuria stipresnę įtampą, bet srovė tampa apribota, nes didelė dalis saulės fotonų nėra sugeriama“, – tęsia mokslininkas.
Saulės elemento pajėgumą saulės šviesą paversti elektros srove riboja puslaidininkio draudžiamosios energijos tarpo plotis. Pavyzdžiui, didelio draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkiai sugeria trumpesnio bangos ilgio fotonus, turinčius daugiau energijos (žemiau kairėje). Puslaidininkiai su tarpinėmis juostomis gali sugerti platesnio energijos spektro fotonus (žemiau dešinėje).
Ši dilema reiškia, jog tam, kad saulės elementas veiktų efektyviai, jis privalo būti sudėtinis – sudarytas iš skirtingų sluoksnių, kurie savo ruožtu būtų pagaminti iš skirtingo draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkinių medžiagų. Visa tai užtikrintų, jog būtų sugeriamos skirtingos saulės spektro dalys. „Silicio saulės elementų efektyvumas siekia vos 20 proc., – vardija tyrėjas. – Žinoma, yra sukurta ir tokių saulės elementų, kurių efektyvumas artėja prie 40 proc., tačiau jie labai įmantrūs – todėl brangūs“.
V. Valukievičius su savo kolegomis yra įsitikinęs, jog jiems pavyko rasti būdą, kaip išspręsti šią problemą. Naudodami GaNAs junginius, mokslininkai sukūrė vientisą medžiagą, kuri gali sugerti kelias saulės spektro dalis. „Tyrėjai metų metus maišo įvairius puslaidininkius tam, kad sukurtų medžiagas, pasižyminčias specifinėmis savybėmis, – teigia V. Valukievičius. – Bet jie dirba su puslaidininkiais, kuriuos nėra sudėtinga sumaišyti. Mes dirbame su medžiagomis, kurios nelinkusios maišytis, – tenka jas priversti tai padaryti taikant specialius metodus“.
Mokslininkas pažymi, jog maišant medžiagas pavyksta pamatyti įdomių savybių, pavyzdžiui, tarpinės būsenų juostos susidarymą didelės draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkiuose. Tarpinė juosta šiuo atveju suveikia kaip tam tikras tramplinas. „Mūsų įrenginys yra ganėtinai paprastas. Daugelį metų tyrėjai kūrė efektyvius saulės elementus derindami daugybę skirtingo draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkių. Mes sukūrėme puslaidininkį su daugialypėmis juostomis“.
Todėl saulės elementai, pagaminti iš GaNAs junginių, turi neblogų šansų svariai prisidėti prie pasaulinio masto saulės energijos panaudojimo problemos sprendimo. „Mes dar nežinome, ko reikėtų tiksliai tikėtis, bet esame apskaičiavę, jog pagal mūsų receptūrą sukurtas saulės elementas turėtų pasižymėti daugiau nei 40 proc. efektyvumu, – užsimena mokslininkas. – Vis dėlto mūsų gaminys būtų kur kas paprastesnis už to paties našumo įrenginius, naudojamus dabar. Šiuo metu tokiam efektyvumui pasiekti įprasta panaudoti 18 puslaidininkinių sluoksnių. Mūsų metodas leistų apsieiti su 4 ar 5 sluoksniais“.
Tokios technologijos įrenginį būtų kur kas lengviau pagaminti, be to, jis greičiausiai galėtų užimti pakankamai didelę rinkos dalį. „Mūsų tikslas yra pasiekti, kad jis būtų ne tik konkurencingas, bet netgi pigesnis už kitus gaminius“.
