Saulė mums teikia energiją, kurios užtektų visiems mūsų poreikiams. Žinoma, jei tik mes galėtume pigiai ir efektyviai ją surinkti. Saulės energija būtų ir aplinkai draugiška alternatyva iškastiniam kurui, tačiau didelė saulės elementų kaina yra pagrindinis jų plataus panaudojimo barjeras.
Stenfordo universiteto mokslininkai atrado, kad įdėjus vieną organinių molekulių sluoksnį į saulės elementą galima padidinti efektyvumą iki trijų kartų. Tai leistų sukurti efektyvesnius ir pigesnius saulės elementų skydelius.
Cheminės inžinerijos profesorė Stacey Bent pirmą kartą susidomėjo saulės elementų tobulinimu prieš du metus. Nagrinėtuose saulės elementuose naudojamos mažytės puslaidininkių dalelės vadinamos kvantiniais taškais. Kvantinių taškų saulės elementai yra pigesni ir juos lengviau gaminti, nes jie gali būti pagaminti naudojant paprastas chemines reakcijas. Tačiau nepaisant pigumo jie nepasižymi efektyvumu lyginant su dabar naudojamais elementais.
„Man buvo įdomu, ar mes galime panaudoti savo chemijos žinias siekdami padidinti jų efektyvumą“, – sakė Bent. Jei tai būtų galima padaryti, tai maža šių elementų kaina sudarytų sąlygas plačiam technologijos naudojimui kasdieniniame gyvenime.
Iš principo kvantinių taškų elementai gali pasiekti žymiai didesnį efektyvumą, sakė Bent, dėl paprasčiausio dalyko – tradiciniai saulės elementai yra pasiekę fundamentinę ribą. Saulės elementai veikia naudodami saulės energiją, kad sužadintų elektronus. Sužadinti elektronai peršoka iš žemesnių energijos lygmenų į aukštesnius, palikdami už savęs taip vadinamą skylę, kurioje turėtų būti elektronas. Saulės elementuose naudojami puslaidininkiai, kad elektronai būtų pernešti į vieną pusę, o kita medžiaga perneša skyles į kitą pusę. Šis elektronų ir skylių judėjimas sukuria elektros srovę.
Reikalinga tam tikra minimali energija, kad pavyktų pilnai atskirti elektronus ir skyles. Reikalingas energijos kiekis priklauso nuo naudojamų medžiagų. Energijos kiekis apsprendžia, kokio bangos ilgio šviesa yra geriausiai sugeriama. Dažniausiai saulės elementuose naudojamas silicis, nes energija reikalinga jo elektronų sužadinimui labai gerai atitinka matomos šviesos bangos ilgį. Tačiau saulės elementų, pagamintų iš vienos medžiagos, gaunamas didžiausias efektyvumas sudaro trisdešimt vieną procentą. Ši riba atsiranda dėl fiksuotos energijos, kurią gali sugerti tokie saulės elementai.
Kvantinių taškų saulės elementams nėra būdingi šie apribojimai ir teoriškai gali būti žymiai efektyvesni. Kvantinių taškų puslaidininkiuose elektronų energijos priklauso nuo kvantinių taškų dydžio. Kuo mažesni kvantiniai taškai, tuo reikalinga didesnė fotono energija, kad sužadintų elektroną į sekantį lygmenį.
Tokiu būdu kvantiniai taškai, keičiant jų dydį, gali būti sureguliuoti, kad jie sugertų apibrėžtą pageidaujamą bangos ilgį. Ir jie gali būti panaudoti gaminant sudėtingus saulės elementus su daugiau nei vieno dydžio kvantiniais taškais. Tai leistų saulės elementams sugerti keleto bangos ilgių šviesą.
Kartu su kolegomis Bent padengė titano dioksido puslaidininkį, ant kurio patalpinti kvantinių taškų saulės elementai, vienu plonyčiu organinių molekulių sluoksniu. Šios molekulės pasižymi save surenkančiomis savybėmis, reiškiančiomis, kad molekulių tarpusavio sąveika verčia jas susigrupuoti tam tikru būdu. Kvantiniai taškai atsirado skiriamajame organinių molekulių ir puslaidininkinės medžiagos sluoksnyje. Tyrinėjant buvo išbandytos įvairios organinės molekulės siekiant suprasti, kurios iš jų gali labiausiai padidinti saulės elementų efektyvumą.
Buvo atrasta, kad molekulės rūšis neturi didelės reikšmės. Užteko vieno organinių molekulių sluoksnio, plonesnio nei vienas nanometras, kad saulės elementų efektyvumas išaugtų iki trijų kartų. „Mes buvome nustebę, nes manėme, kad tai bus labai jautru ir priklausys, ką mes naudosime“, – pakomentavo savo darbą Bent.
Ji pasakė, kad gauti rezultatai tapo aiškūs tik po laiko, ir leido sukurti naują juos aiškinantį teorinį modelį. Efektui gauti svarbu buvo molekulės ilgis, o ne iš ko ji sudaryta. Per ilgos molekulės neleidžia kvantiniams taškams gerai sąveikauti su puslaidininkiu. Pagal Bent teoriją, kai tik fotono energija sukuria elektroną ir skylę, organinis sluoksnis padeda juos išlaikyti atskirtus, tai yra saugo nuo susijungimo, kuris reikštų, kad gauta energiją yra prarasta. Mokslininkai dar planuoja patobulinti naudojamus saulės elementus, bet jau dabar pasiektas efektyvumas sudaro apie keturias dešimtąsias procento. Patobulinus saulės elementuose keletą parametrų, dabartinis trimis kartais padidintas efektyvumas būtų dar žymesnis.
Ji pasakė, kadmio sulfido kvantiniai taškai, kuriuos jie dabar naudoja, nėra idealiai tinkantys saulės elementams tirti. Bus bandoma dirbti su kitomis medžiagomis. Planuojama išbandyti ir kitus organinių molekulių sluoksnius bei pakeisti saulės elementų dizainą, kad būtų sugertas didesnis energijos kiekis bei pagamintas didesnis elektros krūvis. Ji mano, kad kai tik bus atrastas kvantinių taškų saulės elementų efektyvumo padidinimo būdas, pigesnė jų gamyba sudarys sąlygas platesniam saulės energijos panaudojimui.
