Norite sumažinti elektros sąskaitas pasikinkydami plačiausiai prieinamą nemokamos energijos šaltinį – Saulę?
Dabar jums tektų pakloti nemažai šlamančiųjų specialistui, kuris ateitų į namus ir neefektyvių fotoelementų skydeliais užklotų stogą. O dabar įsivaizduokite saulės pažabojimą be specialisto, be tuščių kišenių ir skydelių. Kas, jei namo atjungimui nuo elektros tinklo tereiktų kelionės iki parduotuvės, dažų kibiro, popietės, praleistos ant stogo su teptuku, poros butelių alaus ir elektriko, pajungsiančio naują stogą prie elektros įvado?
Tai žada grupelė tyrėjų, norinčių gauti saulės energiją su medžiagomis, vadinamomis termoelektrikais – jie sukuria srovę, išnaudodami temperatūrų skirtumą tarp vienos ir kitos medžiagos pusės. Kadaise nurašyti, kaip beverčiai, jie gali atsigriebti, išgelbėdami fotoelementus, atsirėmusius į efektyvumo lubas. Termoelektrinės medžiagos galėtų padėti šias lubas pralaužti ir žengti į aukščiausiąją lygą. Ironiška, bet skydelių gelbėtojai gali tapti ir jų žlugimo architektais.
Termoelementų ir fotoelementų jungtuvių idėją gainiojamės pusę amžiaus. Dar 1954 metais saulės energijos pionierė Mária Telkes panaudojo termoelektrinės medžiagos lapą, su kuriuo sugebėjo sugerti saulės šilumą ir iš jos gauti elektrą. Karštis vienoje lapo pusėje išplėšia elektronus iš atomų ir išsilaisvinę šie teka į vėsesnę pusę, taip padarydami karštąją pusę įelektrintą teigiamai, o vėsiąją – neigiamai. Telkes taip sugebėjo gauti srovę, bet jos pakako tik reiškinio pademonstravimui. Geriausios jos pastangos davė tik gerokai mažesnį nei vieno procento efektyvumą.
Nors jau ir tada pasiektas efektyvumas nebuvo labai stipriai mažesnis už rezultatus, kuriuos pasiekdavo tuometiniai silicio šviesos elementai – pastarieji sugebėdavo elektra paversti apie 3 ar 4 procentus į juos krintančios šviesos fotonų energijos. Tačiau šeštojo dešimtmečio pabaigoje šie pasiekimai patrigubėjo, kai tuo tarpu Telkes termoelementų rezultatai taip ir liko apgailėtini. Suprantama, kylanti saulės energijos pramonė veikiai jų atsisakė silicio elementų naudai, kurie apsigyveno ant stogų aštuntame ir devintame dešimtmetyje.
Po to į termoelektrines medžiagas dešimtmečius nebuvo kreipiamas dėmesys. Kartu su menku efektyvumu, pačios šios medžiagos – paprastai egzotiški puslaidininkiai, pavyzdžiui, bismuto telūridas – buvo per brangios, kad ekonomiškai pateisintų gaminamos energijos srovelę. Jos apsimoka tik kaip kraštutinės priemonės, pavyzdžiui Voyager kosmoso zonduose, kur jie išnaudoja temperatūrų skirtumą tarp mažo radioaktyvaus metalo gabaliuko ir stingdančio kosmoso šalčio, ar keletoje kitų nišinių pritaikymų.
Tačiau tada saulės skydeliai atsitrenkė į nematomą kliūtį. Nežiūrint visų pastangų juos patobulinti, geriausių dabar parduodamų fotoelementų efektyvumas yra nuo 12 iki 20 procentų.
Tai susiję su šviesos pavertimo į elektrą būdu. Kai į fotoelementą krenta pakankamos energijos fotonas, jis suteikia silicio atomo elektronui energiją, reikalingą jam išsilaisvinti ir pradėti judėjimą – taip susidaro elektros srovė. Tačiau norėdamas išlaisvinti elektroną fotonas turi turėti tiksliai reikiamą energijos kiekį. Net ir nedaug nuklydus nuo žymos, prie kurios fotonai gali pradėti elektros gaminimą, prasideda problemos. Jei fotonai turi per daug energijos – kaip esantys aukštos energijos ultravioletinės šviesos spektro dalyje, – jų karštis sukuria chaosą medžiagoje. Antra vertus, jei fotonų energija per maža, pavyzdžiui, mikrobangų ar infraraudonųjų bangų, dar žinomų, kaip šiluminio spinduliavimo, – jie paprasčiausiai pereina per elementą, nesąveikaudami su jokiais elektronais. Deja, šie žemos energijos fotonai sudaro beveik pusę Saulės spektro, tad iš esmės saulės elementai negali nė svajoti apie didesnį, nei 50 % efektyvumą.
Be to, karštis iš aukštos energijos fotonų ardo fotoelemento medžiagos suderintą elektronų struktūrą: karštame elemente elektronai pradeda chaotiškai blaškytis, užuot tvarkingai tekėję per medžiagą ir gaminę elektrą.
Tad maždaug pusė saulės fotonų yra beverčiai dėl nepakankamo energingumo, o labai energingų fotonų dalis aktyviai kenkia elementų efektyvumui. Galima sumažinti žalingą karštį vadinamuoju aktyviu aušinimu, pumpuojant orą ar vandenį. Tačiau tai didina skydelių kainą, daro juos griozdiškus ir reikalauja papildomos energijos – taip susidaro dar trys efektyvumo priešai.
Ar tokiu atveju galėtų padėti termoelektrinės medžiagos? 2007-tais metais Gangas Čenas (Gang Chen) iš Masačiusetso technologijos universiteto (MIT) pradėjo domėtis ar verta ištraukti jas iš užmaršties ir padėti saulės elementams išgauti daugiau naudos iš šviesos spektro.
Idėja buvo daug žadanti. Ir fizika atrodė įtikinamai. Kombinuojant hibridinius saulės elementus iš fotoelektrinės ir termoelektrinės medžiagos, pastarieji aušintų fotoelementus ir iš žemos energijos fotonų gautų elektrą, taip išnaudodami visą Saulės spektrą.
Tad Čenas taip ir padarė (Applied Physics Letters, vol 92, p 243503).
Šviesos atskyrimas
Teoriškai, medžiagas kombinuoti geriausia būtų vadinamajame skaidyto spektro saulės elemente. Jis veikia, kaip eismo reguliuotojas, atskirdamas ir paskirstydamas krentančią šviesą pagal bangos ilgius. Remiantis Čeno skaičiavimais, toks hibridas būtų beveik 1,5 karto efektyvesnis, nei standartinis silicinis saulės elementas. Toks efektyvumo šuolis galiausiai leistų fotoelektriniamas elementams tapti iškastiniu kuru paremtos energijos sistemos varžovu. Bet yra problema: „Spektro išskyrimui reikia šviesos koncentratorių ir skirstytuvų“, – aiškina Čenas, ir šie papildomi kaštai yra didesni, nei papildomai gaunama energija.
Tikriausiai paprastesnis sprendimas būtų geresnis, pamanė Huiming Yin ir Dajiang Yang iš Kolumbijos universiteto Niujorke. Užuot stačius sudėtingas struktūras, atskiriančias mažos energijos fotonus, kodėl jiems tiesiog neleidus pereiti per saulės elementą ir kristi į po apačia esantį termoelektrinį sluoksnį? Aušinantys vandens vamzdžiai paimtų chaotišką šilumą iš fotoelementų sluoksnio, o karšti fotoelementai ir šaltas vanduo sukurtų idealų sumuštinį su termoelektriniu sluoksniu viduryje (IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 26, p 662). Jo gaminama elektra padengtų papildomų medžiagų kaštus.
Bet netgi tai nepadėjo pasiekti norimo rezultato. Papildomos elektros srovė, kurią gamino termoelektrinis sluoksnis, nepakako padengti papildomų išlaidų medžiagai. Atėjo laikas prisikasti iki problemos šaknų: pačios termoelektrinės medžiagos.
Jos energijos gavimo būdas yra ir jo neefektyvumo kaltininkas. Kai viena medžiagos pusė įkaista, iš atomų išvaduoti elektronai keliauja į šaltąją medžiagos pusę (žr. 1 pav.). Sunku išlaikyti temperatūrų skirtumą tarp karštos ir šaltos pusės. Per medžiagą keliauja ne vien elektronai: kartu keliauja ir šiluma fononų pavidalu. Tai yra vibracijos, kurios perduodamos nuo atomo atomui, ir taip paveikiamos visos dalelės.
1 pav. Kai vienas termoelektrinės medžiagos šonas kaitinamas, elektronai išlaisvinami iš savo atomų. Karšti elektronai slenka į šaltesniąją pusę greičiau, nei šaltieji elektronai į karštesniąją. Taip šaltesniojoje dalyje susikaupia neigiamas krūvis ir sukuriama elektros srovė
Netrukus karštis pasiekia šaltąją pusę ir elektronai nebejaučia noro keliauti viena kryptimi, o tik chaotiškai stumdosi. Taip prarandama savybė, būtina elektros srovės gaminimui.
Penkis dešimtmečius tai buvo neišsprendžiama problema. Bet štai atsirado nanotechnologija. Dabar medžiagų tyrėjai gali kontroliuoti medžiagų savybes pačiu smulkiausiu masteliu.
Kristalinę gardelę turinčiose medžiagose visi atomai yra labai tvarkingai surikiuoti. Jose elektronai ir fononai keliauja beveik be kliūčių – tokios medžiagos dar vadinamos laidininkais. Tuo tarpu amorfinės medžiagos, pavyzdžiui, stiklas, pastoja kelią ir elektronams, ir fononams – o tai jau dielektrinės medžiagos, tinkamos izoliacijai ir visiškai netinkamos elektros srovės tekėjimui.
Nanotechnologija leidžia sukurti hibridines medžiagas, leidžiančias per jas tekėti elektronams, bet trikdančioms fononų judėjimą. Yin ir Yang naudojo medžiagas, kuriose panaudoti kvantiniai taškai – maži, vos kelių dešimčių nanometrų dydžio puslaidininkiniai kristalai, sukurti su mažais defektais, kurie išsklaido fononus, bet praleidžia elektronus (Science, vol 297, p 2229). Tyrėjai paskaičiavo, kad ši medžiaga bus beveik dvigubai efektyvesnė už įprastas termoelektrines medžiagas. Sujungus su vandeniu aušinama fotoelementų sistema, panaudojant karštą vandenį, jie mano, kad ši medžiaga padės tokiai saulės elementų sistemai pasiekti didesnį, nei 50 % efektyvumą. Tai būtų labai didelis patobulinimas.
Nauja viltis
Čarlzas Stafordas (Charles Stafford) iš Arizonos universiteto Taksone ruošėsi sukurti panašų įrenginį, kai suprato, kad yra kita galimybė, galinti iš naujo atrasti saulės energiją. Kodėl tiesiog nepamiršus išrankiųjų fotoelektrinių elementų? Kas, jei sukurtume tokią medžiagą, kuri galėtų gaudyti saulės šilumą taip gerai, kad galėtume visiškai pakeisti saulės skydelius? Jei tai būtų gana pigi medžiaga, nebūtų svarbu, jei jos didžiausias efektyvumas būtų mažesnis, nei 50 procentų.
Norint tai pasiekti, reikėtų atsisakyti puslaidininkių. Jis išsiaiškino, kad tam tiktų polimerai, vadinami polifenolio esteriai. „Jie labai pigūs, – sako jis. – Įsivaizduokite, nusiperkate 100 litrų statinaitę šios medžiagos ir ja nudažote bet kurį paviršių, kurį norite naudoti termoelektrinei konversijai.“ Stafordas mano pakeisti šias medžiagas taip, kad jos trukdytų fononų srautą. Kurdamas molekulių grandines su rūpestingai parinktomis šoninėmis grupėmis, cheminėmis „ataugomis“, Stafordas tikisi blokuoti fononų judėjimą, tuo pačiu praleisdamas elektronus. Medžiaga vers elektronus manyti, kad jie yra kristalinėje medžiagoje, o fononai atsitrenks į kelio užkardas.
Tiesiog nusiperkate 100 litrų statinaitę šios medžiagos ir ja nudažote bet kurį paviršių, kurį norite naudoti elektros gaminimui
Stafordo skaičiavimais, tokių medžiagų efektyvumas bus nuo 20 iki 25 procentų, šešiskart didesnis, nei dabar naudojamų geriausių termoelektrinių medžiagų (ACS Nano, vol 4, p 5314). Jei jam tai pavyks įgyvendinti, pasekmės bus stulbinančios. Fotoelementų skydelių dienos būtų suskaičiuotos.
Iš tiesų tai jau gali būti tiesa. Gegužę Čenas publikavo rezultatus, rodančius, kad saulės energijos sistemos, nenaudojančios skydelių jau greitai gali tapti tikrove, nes termoelektriniai elementai siūlo naują saulės energijos koncentravimo būdą. Iki šiol koncentravimas netiko mažiems ant stogo esantiems skydeliams, nes šviesos koncentravimui reikia sudėtingos lęšių sistemos Saulės sekimui dangumi, kuri yra per brangi bet kokiam, išskyrus pramoninio lygio naudojimą.
Tuo tarpu koncentruoti karštį nėra sudėtingiau, nei saulėtoje vietoje padėti vario plokštę. Įdėjus ją į nebrangų stiklinį vakuuminį indą, karštis bus sulaikomas viduje ir tereiks mažus termoelektrinės medžiagos gabalėlius pritvirtinti prie pavėsyje esančios vario plokštės pusės (Nature Materials, vol 10, p 532).
Netgi su įprasta termoelektrine medžiaga, Čeno prototipas sugebėjo pasiekti beprecedentį beveik 5 procentų efektyvumą. Jei nėra ženklių medžiagos kaštų, netgi tokio mažo efektyvumo sistemas apsimoka daryti. Ir tada, termoelektriniams elementams tapus tik šiek tiek geresniems, fotoelementai tikrai galėtų pasitraukti į užtarnautą poilsį.
Nesvarbu, ar ateitis yra Čeno saulės koncentratoriai ar Stafordo uždažomos molekulės, termoelektrinės medžiagos atrodo galinčios daug pigiau, daug praktiškiau pažaboti saulės energiją. Svajonė, kurią Mária Telkes puoselėjo 50 metų, arti išsipildymo.
