Geri dalykai nutinka laukiantiems, ir Tsutomu Miyasaka laukė ilgai. Žinodamas, kad fotovoltiniai elementai gali būti pagaminti naudojant praktiškai bet kokį pigmentą – kavą, chlorofilą, raudonąjį vyną – Japonijos fizikas bandė įvairiausias spalvotas medžiagas, tikėdamasis rasti rasti pigią ir efektyvią. Vieną 2007 metų balandžio dieną, į Tokijo universiteto laboratoriją įžengė studentas, nešinas neišvaizdžiu mineralu perovskitu.

Dabar iš fotovoltinių elementų pagaminama apie 140 gigavatvalandžių (GWh) energijos, arba 1 procentas pasaulinio energijos poreikio. Plačiausiai naudojamiems silicio fotovoltiniams elementams nuo jų išradimo penktajame dešimtmetyje prireikė 50 metų, kol jie pasiekė maksimalų maždaug 25 proc. efektyvumą.
Citata

Pasirodė, tai buvo nauja pradžia. Kai T.Miyasaka paskelbė pirmojo fotovoltinio elemento, pagaminto iš pervoskito, veiklos rezultatus 2009-aisiais, jis iš šviesos energijos sukaupdavo vos 4%. Iki 2012 m., šis skaičius viršijo 10%, tuomet kilo susidomėjimas šia medžiaga. Komandoms visame pradėjus daryti tyrimus su perovskitu, jo efektyvumas šiandien siekia 20%, ir aplenkia daugumą rinkoje esančių fotovoltinių elementų.

„Ši sritis juda labai greitai – visi tuo užsiima,“ sako fizikas Michaelas Johnstonas iš Oxfordo universiteto. Ar tai naujoji saulės elementų technologija. kurios visi taip laukė?

Perovskitui nebereikia jokių papildomų medžiagų

Saulė yra praktiškai neribotas švarios energijos šaltinis, per valandą Žemei tiekiantis tiek energijos, kad jos žmonijai pakaktų visiems metams. Dabar iš fotovoltinių elementų pagaminama apie 140 gigavatvalandžių (GWh) energijos, arba 1 procentas pasaulinio energijos poreikio. Plačiausiai naudojamiems silicio fotovoltiniams elementams nuo jų išradimo penktajame dešimtmetyje prireikė 50 metų, kol jie pasiekė maksimalų maždaug 25 proc. efektyvumą. Plokštės, kurias galite susidėti ant stogo, giedrą dieną pasiekia maždaug 15 proc. efektyvumą, ir gamina elektrą, kurios kaina yra maždaug 50 centų už vatą, kitaip tariant, dvigubai brangiau, nei įprastinių anglių.

Perovskito mineralas
Foto: Vida Press

Naujesnės alternatyvos, pavyzdžiui, vario indžio galio selenido (CIGS) ir kadmio telūrido elementai turi savo pranašumų: kadmio telūridas yra pigus, kaip ir silicis, o CIGS gali būti spausdinamas ant lanksčių pavišių. Bet kadangi jų maksimalus efektyvumas yra apie 20 procentų, nei viena iš šių medžiagų nėra rinkos lyderė. Fotovoltinių elementų rekordininkas jau seniai yra galio arsenidas, saulės energiją į elektrą verčiantis beveik 30% efektyvumu – tačiau gerokai patuštinantis tokius elementus įsigyjančių kišenes.

Šių metų gegužę Snaitho grupė ir iš Pietvakarių universiteto Evanstone, Ilinojuje, parodė, kad alavo pagrindu sukurti pervoskitai irgi atlieka darbą – šių fotovoiltainių elementų efektyvumas, nors sparčiai augantis, kol kas tėra vos keli procentai.
Citata

T. Miyasakos surasta medžiaga gali viską pakeisti. Perovskitas randamas kaip kalcio titano oksidas visame pasaulyje, gausiausiai – Rusijos Uralo kalnuose, kur jis ir buvo atrastas XIX a. pradžioje.

Įprastiniuose fotovoltiniuose elementuose, puslaidininkis, pavyzdžiui, silicis, absorbuoja šviesą, sukurdamas elektronus ir teigiamą jų atitikmenį – skyles, tada juos atskiria ir iš čia randasi krūvininkų judėjimas – elektros srovė. Nedaug medžiagų gali sugerti tinkamo bangos ilgio šviesą ir atskirti krūvius, taigi, nudažytuose elementuose pridedamas pigmentas, pirmiausia absorbuojantis šviesą ir tuomet perduodantis krūvį į puslaidininkį atskyrimui.

Proveržis įvyko, kai Miyasaka, dirbdamas drauge su Henry'iu Snaith'u iš Oxfordo universiteto ir kitais, suprato, kad pervoskitui puslaidininkio nebereikia – elektronus ir skyles šis elementas  pats gali perkelti geriau.

10 centų už vatą - ar tai įmanoma?

Koks bebūtų vidinis mechanizmas, medžiaga pigi ir lengvai pagaminama. Pernai mokslininkai pademonstravo, kad pervoskito elementus galima gaminti įprastiniu silicio elementų gamybos būdu. Dukterinė Oxfordo universiteto kompanija „Oxford Photovoltaics“ rengia dar pigesnį būdą, kai pervoskito tirpalas pilamas ant pagrindo ir medžiagai leidžiama susikristalizuoti. Snaithas, kuris tikisi pervoskito fotovoiltainius elementus tikisi pateikti į rinką iki 2016 galo, mano, kad iš šių elementų vieną dieną bus galima gauti elektrą vos už 10 centų už vatą.

Balandį medžiagotyrininkas Yang Yang iš Kalifornijos universiteto Los Angele, pranešė, kad pervoskito elementais pavyko gauti rekordinį 19,3% efektyvumą, nors sako, kad jo skaičius dar turi patvirtinti JAV Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija. Snaithas kol kas detalių neatskleidžia, bet mano, kad greitai ši medžiaga gali netgi pralenkti tai, ką fizikai Williamas Shockley'is ir Hansas Queisseris septintajame dešimtmetyje laikė riba. Jie priėjo išvados, kad jokie fotovoltainiai elementai negalės paversti daugiau, nei maždaug trečdalio iš Saulės gaunamos energijos elektra.

Tebelaukia dar daug darbo, kol pervoskitas rimtai startuos rinkoje. Kol kas sukurtuose elementuose naudojamas švinas, toksiškas elementas. Šių metų gegužę Snaitho grupė ir iš Pietvakarių universiteto Evanstone, Ilinojuje, parodė, kad alavo pagrindu sukurti pervoskitai irgi atlieka darbą – šių fotovoiltainių elementų efektyvumas, nors sparčiai augantis, kol kas tėra vos keli procentai.

Toks pritaikymas gal ir ne visai galėtų išgelbėti planetą, bet šiek tiek pinigų uždirbtų.
Snaithas

Vienintelis didelis minusas

Didesnė problema, kad pervoskitas sugeria drėgmę ir išsipučia, prarasdamas šviesos surinkimo savybes. „Tai rimta,“ - sako chemikas Prashantas Kamatas iš Notrdamo universiteto Indianoje, neseniai ėmęsis šių medžiagų tyrimų. Saulės elementas, kurio negalima palikti lietuje, gali skambėti absurdiškai, bet Snaithas, stengdamasis suderinti medžiagų sudėtį, kad jos nebijotų vandens, pažymi, kad jie gali būti uždengti stiklu, kaip ir dabar daroma su daugeliu modulių.

Perovskito mineralas
Foto: Vida Press

Perovskito panaudojimas gali netgi neapsiriboti šviesos energetika. Anksčiau šiais metais, Michaelas Grätzelis Šveicarijos Federaliniame technologijų institute Lausannoje su kolegomis pademonstravo, kad medžiaga gali ir spinduliuoti šviesą, tiesdama kelią pigiems ryšių lazeriams ar didelės raiškos ekranams. Tokie ekranai galėtų tuo pačiu netgi veikti kaip šviesos rinktuvai, pavyzdžiui reklamos ekranuose, kurie dieną krautųsi. „Toks pritaikymas gal ir ne visai galėtų išgelbėti planetą, bet šiek tiek pinigų uždirbtų,“ -sako Snaithas.

Andrew Rappe'as, Pensilvanijos universiteto Filadelfijoje teoretikas, nesusijęs su elementų kūrimu, pervoskito perspektyvas vertina atsargiai optimistiškai. „Manau, šurmulys pagrįstas,-sako jis.- „Tačiau galiausiai gali pasirodyti, kad jis netinkamas praktiškai elektros gamybai, dėl problemų su patvarumu ar gamyba. Bet jie pademonstravo neregėtą šviesos energijos konversijos efektyvumo augimą.“

 „Jeigu pervoskitai išties išpopuliarės per ateinančius dešimt metų, tada jie galėtų gaminti teravatus energijos – ir dabartinė silicio pramonė atrodys kaip nykštukė,“- įsitikinęs perovskito panaudojimo galimybes vystantis Snaithas.

Straipsnį parašė Jonas Cartwrightas
Parengta pagal „New Scientist“ № 2976