CP v2

Tag: Saulės elementai

  • Singapūre sukurti beveik nematomi perovskitų saulės elementai: energiją gamintų net dangoraižių stiklas

    Singapūre sukurti beveik nematomi perovskitų saulės elementai: energiją gamintų net dangoraižių stiklas

    Stikliniai fasadai miestuose paprastai atlieka vieną funkciją: įleidžia šviesą, bet kartu didina pastatų vėsinimo poreikį ir energijos sąnaudas. Singapūro Nanyang technologijos universiteto (NTU) mokslininkai pristatė sprendimą, kuris šią lygtį siūlo apversti: itin plonus perovskitų saulės elementus, praktiškai susiliejančius su stiklu.

    Tyrėjų teigimu, pagrindinis proveržis yra perovskitų sugeriamojo sluoksnio storis, siekiantis apie 10 nanometrų. Tai yra maždaug 10 000 kartų ploniau nei žmogaus plaukas, todėl danga labiau primena molekulinį sluoksnį nei įprastą saulės modulį.

    Kaip veikia beveik skaidrus saulės stiklas?

    Technologijos skaidrumą galima reguliuoti keičiant nusodinamo perovskitų sluoksnio storį. NTU aprašyta pusiau skaidri versija, kurioje naudotas apie 60 nanometrų sluoksnis, pasiekė 7,6 proc. energijos konversijos efektyvumą ir praleido apie 41 proc. matomos šviesos.

    Toks kompromisas yra esminis, jei saulės elementai turi tapti pastatų langais ar fasado dalimi, o ne tamsiais skydais. Perovskitų privalumas ir tai, kad jie gali generuoti elektrą ne tik tiesioginėje saulėje, bet ir esant išsklaidytai šviesai, kuri miestuose tarp aukštų pastatų dažnai dominuoja.

    Kodėl dangoraižiams neužtenka stogų saulės elektrinių?

    Tankiai apstatytuose miestuose pagrindinė problema yra geometrija: elektros poreikis didelis, o stogo plotas palyginti mažas. Net maksimaliai išnaudojus stogus, saulės moduliai dažnai negali reikšmingai padengti modernių biurų ar daugiabučių kompleksų suvartojimo.

    Vertikalūs fasadai, priešingai, sudaro milžinišką plotą, tačiau įprastų modulių montavimas ant stiklo susiduria su svorio, architektūros, estetinių ir konstrukcinių apkrovų klausimais. Būtent todėl idėja saulės funkciją integruoti į patį stiklą laikoma vienu realistiškiausių kelių didinti vietinę energijos gamybą miestuose.

    Gamyba: kodėl svarbus vakuuminis nusodinimas?

    NTU komanda saulės elementus gamino taikydama terminį garinimą, kai medžiagos vakuume išgarinamos ir nusodinamos ant paviršiaus itin tolygiu sluoksniu. Šis metodas laikomas pramoniniu požiūriu patrauklesniu, nes leidžia tiksliai valdyti storį ir išgauti vienodesnę dangą didesniuose plotuose.

    Skirtingai nei dalis laboratorinių perovskitų sprendimų, kuriuose remiamasi skystais tirpikliais, vakuuminis procesas gali sumažinti gamybos neatitikimus ir palengvinti kokybės kontrolę. Tai svarbu, jei technologija turi persikelti iš prototipo į realius, didelio ploto fasadus.

    Kur tai galėtų būti pritaikyta ir kokios kliūtys išlieka?

    Tyrėjai kaip pavyzdį mini, kad tokia danga, užnešta ant didelio dangoraižio stiklo, teoriškai galėtų pagaminti šimtus megavatvalandžių per metus. Skaičius priklausytų nuo klimato, pastato orientacijos, šešėliavimo ir stiklo ploto, tačiau pati kryptis aiški: energija būtų gaminama ten, kur jos daug suvartojama.

    Be pastatų, įvardijami ir kiti scenarijai, kuriuose svarbus skaidrumas bei mažas svoris, pavyzdžiui, automobilių stoglangiai, dėvima elektronika ar išmanieji akiniai. Vis dėlto perovskitų technologijoms išlieka seniai žinomas barjeras: ilgaamžiškumas realiomis sąlygomis, nes drėgmė, deguonis, karštis ir UV spinduliuotė gali spartinti degradaciją.

    Nepriklausomi ekspertai šioje srityje paprastai pabrėžia, kad tolesni žingsniai turėtų apimti ilgo laikotarpio stabilumo bandymus, didesnio ploto demonstracijas ir patikimą kapsuliavimą, kad danga veiktų ne mėnesius, o metus. Nuo to priklausys, ar beveik nematomi saulės elementai taps tik laboratoriniu pasiekimu, ar realiu sprendimu miestų energijos balansui.

  • Mįslė perovskitų saulės elementuose įminta: DI atskleidė, kas ardo vieną perspektyviausių medžiagų

    Mįslė perovskitų saulės elementuose įminta: DI atskleidė, kas ardo vieną perspektyviausių medžiagų

    Halidų perovskitai laikomi vienomis perspektyviausių medžiagų naujos kartos saulės elementams, nes ypač gerai sugeria ir skleidžia šviesą. Teoriškai tai leistų kurti itin plonus ir lanksčius modulius, kuriuos būtų galima pritaikyti ant įvairių paviršių.

    Tačiau ilgus metus perovskitų proveržį stabdė patvarumas: dalis junginių greitai degraduoja, o tikrosios priežastys ne visada buvo aiškios. Dėl to inžinieriams buvo sunku suplanuoti, kaip stabilizuoti medžiagą nepakenkiant jos efektyvumui.

    Kuri medžiaga kėlė daugiausia klausimų

    Ypatingą dėmesį tyrėjai skyrė formamidinio švino jodidui, vadinamam FAPbI3, kuris pasižymi geromis optoelektroninėmis savybėmis. Vis dėlto dalis jo struktūrinių virsmų, ypač žemoje temperatūroje, ilgai išliko nepaaiškinti vien eksperimentais.

    Naujausiuose darbuose mokslininkai parodė, kad vėstant medžiagai formamidinio molekulės gali įstrigti pusiau stabilioje būsenoje. Toks „įstrigimas“ pakeičia kristalinės gardelės elgesį ir gali būti vienas iš veiksnių, susijusių su nestabilumu.

    „Žemos temperatūros fazė ilgą laiką buvo trūkstama šio tyrimų galvosūkio dalis, o dabar pavyko išspręsti esminį klausimą apie jos sandarą“, – sakė tyrime dalyvavusi mokslininkė.

    Kaip padėjo DI ir ilgesnės simuliacijos

    Perovskitų modeliavimas sudėtingas, nes realistiškam elgsenos atkūrimui reikia didelių skaičiavimo resursų ir ilgo laiko tarpo. Tradicinės simuliacijos dažnai apsiribodavo palyginti mažomis sistemomis, todėl dalis reiškinių likdavo „už kadro“.

    Tyrėjai sujungė įprastus skaičiavimo metodus su DI paremtais modeliais, leidusiais ženkliai prailginti simuliacijas ir padidinti nagrinėjamų sistemų mastą. Didesnės apimties skaičiavimai suteikė galimybę pamatyti subtilius struktūrinius pokyčius, kurie ankstesniuose modeliuose neatsiskleisdavo.

    Patikrinimas laboratorijoje ir reikšmė saulės energetikai

    Kad išvados nebūtų vien teorinės, simuliacijų rezultatai buvo sulyginti su laboratoriniais matavimais, kai mėginiai buvo aušinami iki maždaug minus 200 laipsnių Celsijaus. Sutapimai tarp eksperimentų ir modelių sustiprino argumentą, kad identifikuota struktūra iš tiesų atspindi realų medžiagos elgesį.

    Praktinė šio darbo nauda yra aiškesnės gairės, kaip tiksliau valdyti perovskitų mišinius ir jų fazinius virsmus, siekiant didesnio stabilumo. Jei pavyktų patikimai „užrakinti“ efektyvias savybes kartu išsprendžiant degradacijos problemą, perovskitai galėtų greičiau priartėti prie masinės gamybos ir platesnio pritaikymo.

    Augant elektros poreikiui ir didėjant spaudimui plėsti švarią generaciją, net ir tokie, iš pirmo žvilgsnio, siauri struktūriniai atradimai gali turėti didelę reikšmę. Jie priartina prie tikslo kurti lengvus, lanksčius ir efektyvius saulės elementus, kuriuos būtų paprasčiau diegti ant pastatų ar kitų netradicinių paviršių.

  • Saulės elementų proveržis: superkompiuteris parodė, kad mikroskopiniai defektai gali didinti efektyvumą

    Saulės elementų proveržis: superkompiuteris parodė, kad mikroskopiniai defektai gali didinti efektyvumą

    Vokietijos fizikai, atlikę itin detalias simuliacijas viename galingiausių Europos superkompiuterių, ieškojo, kaip pašalinti saulės elementų sandūrose atsirandančius atominius netobulumus. Tačiau rezultatai nustebino: dalis vadinamųjų defektų ne trukdė, o padėjo perduoti energiją.

    Toks atradimas svarbus, nes dauguma rinkoje naudojamų silicio saulės modulių vidutiniškai paverčia elektra tik apie 22 proc. į krintančios saulės šviesos. Likusi energijos dalis prarandama, dažnai virsta šiluma, o tai mažina našumą ir ilgainiui gali greitinti medžiagų senėjimą.

    Kodėl prarandama tiek energijos?

    Viena pagrindinių problemų yra ta, kad silicis ribotai panaudoja labai didelės energijos fotonus, pavyzdžiui, violetinę šviesą. Dalį jų energijos medžiaga ne paverčia elektra, o išspinduliuoja kaip šilumą, todėl krenta realus naudingumas.

    Dėl to mokslininkai ieško sprendimų, kaip geriau „išnaudoti“ aukštesnės energijos šviesą. Viena kryptis yra hibridinės struktūros, kai ant silicio sluoksnio formuojamos itin plonos organinių puslaidininkių dangos.

    Tetracenas ir viengubos būsenos skilimas

    Tyrime daug dėmesio skirta tetracenui, organiniam puslaidininkiui, galinčiam dalyvauti procese, vadinamame viengubos būsenos skilimu. Jo esmė ta, kad sugėrus vieną didelės energijos fotoną, sužadinimas gali „pasidalinti“ į du mažesnės energijos sužadinimus, kuriuos teoriškai lengviau panaudoti silicyje.

    Ilgą laiką buvo manyta, kad sandūra tarp tetraceno ir silicio turi būti kuo tobulesnė, nes bet koks netolygumas gali sutrikdyti sužadinimų perdavimą. Todėl tyrėjai dažnai siekė maksimaliai „švarių“ ir tvarkingų sąsajų.

    Netikėta išvada: defektai gali padėti

    Paderborno universiteto komanda, pasitelkusi ab initio molekulinės dinamikos simuliacijas, analizavo, kaip realiomis sąlygomis elgiasi atomai ir elektronai tetraceno bei silicio sandūroje. Tokie skaičiavimai yra itin imlūs resursams, todėl buvo vykdomi HLRS „Hawk“ superkompiuteryje Štutgarte.

    Simuliacijos parodė, kad vadinamieji silicio kabančieji ryšiai, paprastai laikomi nepageidaujamu reiškiniu elektronikoje, šiuo atveju gali palengvinti sužadinimų perdavimą per sandūrą. Tyrimo rezultatai paskelbti žurnale „Physical Review Letters“.

    „Mūsų darbas gali būti įdomus platesnei tyrėjų bendruomenei, nes parodo kitą kryptį, kaip galima projektuoti tokias sistemas“, – sakė pagrindinis straipsnio autorius Marvinas Krenzas.

    Mokslininkai pabrėžia, kad tai nėra paruoštas sprendimas komerciniams moduliams, tačiau tai keičia požiūrį: netobulumas gali tapti projektuojamu įrankiu. Kitas žingsnis būtų sistemingai ieškoti tokių sandūrų konfigūracijų, kur „defektų“ struktūra būtų valdoma ir pakartojama gamyboje.

    Jei viengubos būsenos skilimo principą pavyktų stabiliai pritaikyti praktikoje, teorinis efektyvumo prieaugis galėtų būti reikšmingas. Vis dėlto lemiamu veiksniu taps tai, ar skaitmeniniai rezultatai bus patvirtinti laboratoriniais prototipais ir ar technologija bus suderinama su masine gamyba.

  • Perovskitų mįslė pagaliau įminta: DI atskleidė kristalo sandarą, kuri gali piginti saulės elementus

    Perovskitų mįslė pagaliau įminta: DI atskleidė kristalo sandarą, kuri gali piginti saulės elementus

    Pasaulinis elektros poreikis auga, o saulės energetika ieško medžiagų, kurios galėtų pasiūlyti daugiau nei šiandien dominuojantis silicis. Viena perspektyviausių krypčių yra halogenidų perovskitai – kristaliniai junginiai, itin gerai sugeriantys ir skleidžiantys šviesą, todėl tinkami efektyviems saulės elementams.

    Vis dėlto iki šiol vienas esminių klausimų liko neatsakytas: kaip tiksliai atrodo tam tikra perovskitų struktūrinė fazė, ypač esant žemai temperatūrai. Be tokio supratimo medžiagų stabilumo gerinimas tampa bandymų ir klaidų procesu, o stabilumas yra pagrindinis barjeras iki masinės gamybos.

    Kuo išsiskiria FAPbI3?

    Tyrimuose dažnai minimas formamidinio švino jodidas, trumpinamas FAPbI3. Jis laikomas vienu stipriausių kandidatų itin efektyviems perovskitiniams saulės elementams, nes pasižymi palankiomis optinėmis savybėmis ir gali padėti kurti plonesnius, lengvesnius, potencialiai lanksčius sprendimus.

    Problema ta, kad realiomis sąlygomis ši medžiaga gali greitai degraduoti dėl drėgmės, šilumos, deguonies, šviesos poveikio ir vidinių struktūrinių virsmų. Mokslininkai seniai įtarė, kad dalis atsakymo slypi būtent vidinėje kristalo sandaroje, kurios anksčiau nepavyko patikimai aprašyti.

    DI ir ilgesnės superkompiuterių simuliacijos

    Chalmerso technologijos universiteto Švedijoje mokslininkai pranešė užpildę šią spragą pasitelkę naujesnį skaičiavimo metodų derinį. Greta įprastų skaičiuojamosios fizikos metodų jie pritaikė DI apmokytus sąveikų modelius, leidžiančius daug greičiau prognozuoti atomų elgseną.

    Toks priėjimas suteikė galimybę vykdyti gerokai ilgesnes simuliacijas ir modeliuoti nepalyginamai didesnes atomų sistemas nei anksčiau. Tai svarbu, nes perovskituose lemtingos gali būti labai subtilios, per laiką besikaupiančios deformacijos, kurių trumpi ir maži modeliai paprasčiausiai „nemato“.

    Pagal tyrėjų pateiktą interpretaciją, vėstant FAPbI3 kristalui, formamidinio molekulės ne visada tvarkingai „užsifiksuoja“ vienoje stabilioje padėtyje. Vietoje to jos gali įstrigti tarpinėje, pusiau stabilioje būsenoje, kuri ilgai nebuvo aiškiai identifikuota ir galėjo klaidinti bandant paaiškinti medžiagos fazinius virsmus.

    Laboratorinis patvirtinimas ir reikšmė saulės energetikai

    Skaitmeninės išvados buvo patikrintos eksperimentais kartu su Birmingamo universiteto tyrėjais. Atšaldžius FAPbI3 mėginius iki maždaug minus 200 laipsnių Celsijaus, stebėjimai sutapo su simuliacijomis, o tai sustiprino pasitikėjimą naujai aprašyta žematemperatūre struktūra.

    Nors tokia temperatūra nėra būdinga saulės modulių darbo aplinkai, fazių ir vidinių molekulinių „įstrigimų“ supratimas leidžia tiksliau prognozuoti, kaip medžiaga elgsis įvairiomis sąlygomis ir kokie priedai ar mišiniai galėtų ją stabilizuoti. Praktinis tikslas aiškus: pasiekti perovskitų ilgaamžiškumą, kuris būtų pakankamas plačiam naudojimui už laboratorijos ribų.

    Jei stabilumo kliūtis bus įveikta, perovskitai galėtų papildyti arba kai kuriais atvejais ir pakeisti silicio sprendimus ten, kur svarbus mažas svoris, plonumas ar integravimas į paviršius. Be to, pats DI pagrįstų potencialų metodas gali paspartinti ir kitų sudėtingų medžiagų tyrimus, nes leidžia greičiau rasti dėsningumus, kurie anksčiau buvo per brangūs skaičiavimams.