Saulės šviesai apšviečiant kiekvieną Žemės paviršiaus centimetrą, žmonija nuolat svarsto, kaip efektyviau panaudoti šią kosminę dovaną. Saulės elementai yra pagrindinė priemonė šiam tikslui pasiekti. Tarp daugybės fotovoltinių medžiagų per pastarąjį dešimtmetį išgarsėjo naujokas, vadinamas perovskitu, kuris sparčiai tapo geidžiamiausia „geriausiai veikiančia“ medžiaga pasaulinėje saulės energijos pramonėje. Jo gebėjimas sukelti naują technologinę bangą priklauso nuo pagrindinio veiksnio: teoriškai optimalaus 1.5 eV draustminės juostos.

I. Perovskitas: primityviai skambantis pavadinimas, tačiau futuristinis atlikimas

Nesileiskite suklaidinti šio išskirtinai mineralinio pavadinimo. Nors tikrasis perovskitas (CaTiO₃) iš tiesų yra mineralas, atrastas Uralo kalnuose XIX amžiuje, terminas „perovskitas“, apie kurį dabar plačiai kalbama fotovoltinių elementų bendruomenėje, nebereiškia konkretaus kristalo. Vietoj to, jis žymi medžiagų šeimą, turinčią ABX₃ struktūrinę struktūrą.

Šią struktūrą galima apibūdinti kaip „modulinių statybinių blokų“ sistemą:

• Vieta: Dideli katijonai (pvz., MA, FA, Cs)
• B vieta: Metalų katijonai (pvz., Pb, Sn)
• X vieta: Halogenidų anijonai (pvz., I, Br, Cl)

Bet koks šių elementų derinys sukuria skirtingus draustinius tarpus ir stabilumą, todėl tai tampa medžiagų pasaulio „laisvos formos surinkimu“.

Ypač verti dėmesio organiniai-neorganiniai hibridiniai perovskitai. Nuo 2009 m., kai Miyasakos komanda pirmą kartą pademonstravo jų fotovoltinių elementų pritaikymą, NREL duomenimis, konversijos efektyvumas išaugo nuo 3.8 % iki daugiau nei 26 %, o tandeminių elementų – viršijo 30 % ribą.

Svarbiausia, kad jų gamyba yra lengva, nebrangi ir paprasta, nereikalaujant nei aukštos temperatūros sukepinimo, nei itin švarių įrenginių, todėl juos labai lengva pramoniniu būdu pritaikyti.

Todėl jos laikomos „trečiosios kartos fotovoltine technologija“, pakeitusia silicio elementus.

II. Kodėl 1.5 eV vadinama „auksine draustine juostele“ saulės energijos sugerčiai?

Saulės šviesa primena „šviesos energijos krioklį“, sudarytą iš skirtingos energijos fotonų. Saulės elementų užduotis – panaudoti šiuos fotonus elektronams sužadinti ir elektros srovei generuoti. Tačiau jei draudžiamasis tarpas yra už optimalaus diapazono ribų, energija švaistoma.

Jei draudžiamasis tarpas per didelis (> 2 eV):

Raudona ir infraraudonoji šviesa neturi pakankamai energijos, todėl tiesiogiai sklinda pro medžiagą ir praranda skaidrumą.

Jei draudžiamasis tarpas yra per siauras (< 1 eV),

Didelės energijos fotonų perteklinė energija išsisklaido kaip šiluma, sukeldama šiluminius nuostolius.

Nei vienas kraštutinumas nėra optimalus.

Mokslininkai teoriškai apskaičiavo, kad

Maždaug 1.34–1.5 eV draudžiamasis tarpas maksimaliai padidina pusiausvyrą tarp absorbcijos efektyvumo ir šiluminių nuostolių, sudarydamas idealią „saldžiąją zoną“ saulės elementams.

Esant šiai draustinei juostai, teorinė viršutinė fotovoltinio efektyvumo riba (Shockley-Queisser riba) gali viršyti 33 %.

Nuostabi perovskito medžiagų savybė yra jų gebėjimas reguliuoti draustinį tarpą paprastu elementų pakeitimu:

Pb pakeitimas Sn sumažina draustinį tarpą

Halogenų reguliavimas (I → Br → Cl) padidina draustminę juostą

FA/MA/C maišymas tiksliai sureguliuoja kristalų stabilumą ir energijos lygius

Pavyzdžiui, pagrindinės medžiagos MAPbI₃ draudžiamoji zona yra maždaug 1.55 eV. Įvedus Sn arba FA, ji lengvai sureguliuojama iki 1.35–1.4 eV – arčiau teorinio optimumo – ir jos juostos struktūra tampa beveik pritaikyta saulės šviesai.

III. Perovskitas: ne tik nepaprastas efektyvumas, bet ir jo pritaikymas pranoksta vaizduotę

Perovskito stipriosios pusės neapsiriboja vien efektyvumu, bet ir išskirtiniu plastiškumu:

• Jis gali būti suformuotas į skaidrų saulės stiklą
• Pagaminta į lanksčias plėveles pastatų fasadams
• Integruota į nešiojamus įrenginius ir kompaktišką elektroniką
• Kartu su siliciu tandeminėse ląstelėse, siekiant įveikti efektyvumo kliūtis

Iki 2025 m. Kinija įkūrė pirmąjį pasaulyje perovskito žaliosios elektros energijos demonstracinį parką, kuriame naudojamos visos priemonės. Didžiosios mokslinių tyrimų institucijos ir toliau muša efektyvumo rekordus, o tai rodo spartėjantį šios technologijos perėjimą iš laboratorijos į industrializaciją.

Nors stabilumas, atsparumas oro sąlygoms ir didelio masto gamyba išlieka iššūkiais, perovskitas neabejotinai tapo pasaulinės energetikos technologijų konkurencijos pagrindiniu elementu.

IV. 1.5 eV atveria duris į naują erą

Ateityje galite pamatyti:

Skaidrūs, kaip stiklas, energiją generuojantys langai

Itin plonos fotovoltinės plėvelės, tokios pat lengvos kaip lipdukai

Lankstūs saulės tekstilės gaminiai, tokie pat lankstūs kaip audinys

Stogai, sienos ir net elektroniniai korpusai tyliai „sugeria šviesą, kad generuotų energiją“

Šie, atrodytų, mokslinės fantastikos scenarijai kyla iš tobulo 1.5 eV draustminės juostos ir perovskito medžiagos lanksčių, reguliuojamų struktūrinių pranašumų.

Ši fotovoltinė revoliucija, kurią sukėlė draustminės juostos „auksinis taškas“, jau tyliai prasidėjo energijos transformacijos bangos metu.