Saulės energijos vertimas į elektrą, naudojant fotovoltines medžiagas, tampa labai svarbia technologija ieškant būdų. kaip pakeisti iškastinį kurą atsinaujinančiais energijos šaltiniais. Tokios technologijos bus naudojamos saulės elementų skydeliuose, montuojamuose ant stogo, ir net mobiliuosiuose telefonuose.
Tačiau fotovoltinių medžiagų gaminama energija sudaro labai mažą energijos dalį pasauliniu mastu. Viena pagrindinių priežasčių yra santykinai didelė pagrindinės medžiagos (silicio), naudojamos pagrindiniuose saulės elementų tipuose,kaina.
Silicis yra labai populiari puslaidininkinė medžiaga, kuri naudojama saulės energijos konversijai dėl savo konversijos efektyvumo. Tačiau augantis silicio, naudojamo fotovoltiniuose elementuose, poreikis sukelia tiekimo trūkumus. Saulės elementams reikalinga labai aukštos kokybės medžiaga. Silicio gamybai bei saulės elementų konstravimui yra svarbu turėti švarą užtikrinančias patalpas, skirtas puslaidininkinių medžiagų apdorojimui. Tai didina bendras gamybos išlaidas. Kita vertus, šiuo metu rinkoje yra išaugęs energijos šaltinių poreikis nešiojamai elektronikai bei nutolusių vietovių aprūpinimui. „Svarbu surasti pigią ir lanksčią alternatyvą siliciui arba bent jau priedą jam“, - pasakė Dži Žangas (Jie Zhang), fotovoltinių medžiagų programos vadybininkas ir vyresnysis mokslininkas Sintezės ir integracijos (Synthesis & Integration) grupėje A*STAR Medžiagų tyrimų ir inžinerijos institute (Institute of Materials Research and Engineering).
Medžiagų tyrinėtojai pastoviai bando surasti būdų, kaip sumažinti fotovoltinių sistemų priklausomybę nuo silicio. Instituto mokslininkai kuria organinius puslaidininkius, kurie potencialiai galėtų pakeisti silicį saulės elementuose. Šie tyrimai yra vykdomi spausdinamosios elektronikos programos rėmuose. Spausdinamojoje elektronikoje naudojamos polimerų pagrindu sukurtos puslaidininkinės molekulės, kurios gali būti lengvai ištirpinamos tirpiklyje, kuris kaip rašalas yra spausdinamas. Gaunamos grandinės ant lanksčių plėvelių ir tam nereikia brangių pastoviai švariais laikomų kambarių. Pagrindinis spausdinamosios elektronikos pranašumas yra susijęs su tuo, kad naudojama technologija yra suderinama su pramonėje naudojamais spausdinimo būdais. Technologija yra svarbi taikymuose, kur reikalingas ypatingas lankstumas, pavyzdžiui, lankstūs ekranai ar elektroninis popierius.
Daugiausia fotovoltiniuose elementuose naudojamas kristalinis silicis, o tai yra pati brangiausiai pagaminama silicio forma. Antroje saulės elementų kartoje yra naudojamas žymiai pigesnis amorfinis silicis, uždengtas plona plėvele ant stiklo arba metalo. Toks silicis jau rado pritaikymą vaizduoklių foniniame apšvietime. Fotovoltiniai elementai, veikiantys organinių molekulių pagrindu, vadinami trečiosios kartos technologija. Ši technologija traukia tyrėjų dėmesį dėl mechaninio lankstumo bei taikymo galimybių. Organiniai saulės elementai labai įdomūs, kadangi jie gali būti naudojami ir uždarose patalpose. Skirtingai nei silicio pagrindu veikiantys įrenginiai, organiniai elementai gali generuoti energiją ir prie labai silpno apšvietimo patalpų viduje. Tačiau praktinis tokių elementų taikymas yra ribotas, nes naudojamos organinės medžiagos pasižymi labai mažu natūralios šviesos konversijos efektyvumu. „Mes norime sukurti organines fotovoltines medžiagas, kurios būtų kaip galima labiau efektyvios sugeriant saulės šviesos fotonus“, - pasakė grupės vadovas ir vyresnysis mokslininkas Sintezės ir integracijos grupėje Žikuanas Čenas (Zhikuan Chen). Čenas užsiima didelio efektyvumo puslaidininkinių polimerų kūrimu.
Politiofeno (angl. polythiophene) pagrindu sukurtos organinės medžiagos yra plačiausiai nagrinėjamos, turint tikslą pritaikyti jas fotovoltiniuose elementuose. Kai kurie tyrimai parodė, kad šios medžiagos pasižymi dideliu krūvininkų mobilumu. Krūvininkų mobilumo laipsnis yra svarbus fotovoltinių elementų veikimo parametras. Tačiau mokslininkai atrado, kad yra labai sunku pasiekti didelio konversijos efektyvumo bei krūvininkų mobilumo vienu metu.
Paskutiniame savo tyrime Čeno grupė sujungė tiofeną su benzotiadiazoliu (angl. benzothiadiazole) gaudami jungtinį polimerą (kopolimerą) su mažu draustinės juostos tarpu, tai yra tinkamu saulės šviesai sugerti. Šio polimero pagrindu pagamintas lauko tranzistorius pasižymi krūvininkų mobilumu, kuris yra sulyginamas su krūvininkų mobilumu prekyboje esančių polimerų pagrindu veikiančių lauko tranzistorių. Tuo pačiu metu įrenginio konversijos efektyvumas siekia 6,26 procentus, o tai yra geriausias rezultatas gautas iki šiol su polimerinėmis medžiagomis. „Mes dabar nagrinėjame naujus šviesos energiją sugeriančius polimerus bei naujas elektronus pernešančias medžiagas siekdami padidinti konversijos efektyvumą iki dešimties procentų“, - pasakė Čenas. Pasiekus tokį efektyvumą pasidarytų galima masinė organinių fotovoltinių elementų gamyba.
Galimybė spausdinti arba padengti organinėmis bei neorganinėmis molekulėmis dideles sritis atveria naujas taikymo galimybes didelių paviršiaus plotų fotovoltiniams elementams. Grupės mokslininkai ieško būdų, kaip masiškai gaminti storų bei plonų plėvelių įrenginius. Didelis dėmesys skiriamas tyrimui, kaip dideliu tikslumu padengti lankstų iki metro pločio pagrindą rašalo molekulėmis. „Žinoma, tokių spausdinimų metu susiduriama su visiškai kitokiomis problemomis nei kad tenka spręsti įprastinėms puslaidininkinių medžiagų technologijoms. Bet tikimasi, kad tai atvers kelius į naują spausdinamosios elektronikos amžių“, - pasakė vienas iš grupės mokslininkų Albertas Lu.
Organinių medžiagų panaudojimui fotovoltiniuose elementuose numatoma didelė ateitis, tačiau jos negalės pilnai pakeisti silicio, mano Lu. Mokslininkai taip pat nagrinėja, kaip būtų galima daug efektyviau panaudoti silicį.
Klasikiniai silicio pagrindu veikiantys saulės elementai sudaryti iš dviejų skirtingo tipo silicio sluoksnių – n-tipo (elektronai) ir p-tipo (skylės), kurios sujungtos į elektroninę sandūrą. Elektros srovė sukuriama, kai šviesa, pasiekusi silicį, išlaisvina elektrono ir skylės porą netoli sandūros. Dėl šviesos atspindžio ir sugerties, vykstančių toliau nuo sandūros, elektronų ir skylių porų skaičius, dalyvaujančių energijos generavime, yra santykinai nedidelis. Norėdami apeiti šią problemą, mokslininkai bando sumontuoti ant silicio paviršiaus nanomatmenų, silicio pagrindu pagamintus fotovoltinius stulpelius. Tokiu būdu mažinamas šviesos atspindys bei didinama sugertis labai ploname silicio sluoksnyje. Todėl krūvininkai yra generuojami arti sandūros. Toks procesas taip pat mažina ir pagaminimo sąnaudas. Mokslininkams šiuo atveju užtenka dviejų mikrometrų storio sluoksnio, kai ankstesniame modelyje yra reikalingas trijų šimtų mikrometrų silicio sluoksnis.
Naudodami šią nanostulpų technologiją mokslininkai pademonstravo iki šiol didžiausią srovės tankį pasiekiamą silicio pagrindu pagamintuose saulės elementuose. Toliau vis ieškoma būdų, kaip būtų galima pagerinti elementų veikimą. Vienas iš aktyviai diskutuojamų klausimų susijęs su fotovoltinių įrenginių dizainu siekiant pilnai panaudoti saulės energiją, pavyzdžiui, kuriant sudėtines sandūras su įvairiais silicio lydiniais bei nagrinėjant struktūras su kartotiniu elektronų ir skylių porų generavimu. Svarbu, kad dizaino parametrai būtų suderinami su dabartinėmis puslaidininkių apdirbimo technologijomis.
