Naujienos

Mažos, bet svarbios molekulės

2022 07 14

Neseniai Kauno technologijos universiteto (KTU) Organinės chemijos katedros mokslininkams buvo pranešta, kad Japonijos bendrovė „Tokyo Chemical Industry“ komercializavo dar du KTU chemikų sukurtus organinius puslaidininkius kodiniais pavadinimais „Br-2PACz“ ir „Me-2PACz“. „Tokyo Chemical Industry“ (TCI) yra pirmaujanti įmonė, tiekianti aukštos kokybės medžiagas, įskaitant ir organinius puslaidininkius, naujos kartos saulės energijos technologijoms, kurios tampa realia alternatyva komerciniams silicio fotovoltiniams įrenginiams. Tai bus jau penktasis produktas, kuriuo TCI aprūpins sparčiai besivystančios naujos kartos saulės elementų technologijos kūrėjus ir įmones, pradedančias komercializuoti šiuos inovatyvius prietaisus, naudojančius neišsenkančią saulės energiją.

Kauniečių ir fizikų iš Berlyno „Helmholtz-Zentrum“ (HZB) mokslinių tyrimų instituto 2018 m. pabaigoje žurnale „Advanced Energy Materials“ paskelbtame straipsnyje pirmą kartą buvo pademonstruota, kad nedidelės organinės molekulės, turinčios fotolaidžius chromoforus bei „inkarines“ fosforo rūgšties funkcines grupes, gali tvarkingai padengti metalų oksidų elektrodų paviršių, efektyviai transportuojant krūvininkus perovskitiniuose saulės elementuose. Iki šiol buvo naudojami polimerinės arba didelę konjuguotų dvigubų jungčių turinčios puslaidininkinės medžiagos. Pastarųjų sintezė dažniausiai yra daugiapakopė ir jai reikia brangių katalizatorių, sudėtingų gryninimo procedūrų. Todėl šios medžiagos kainuoja daug. Kauniečių chemikų pasiūlyti savitvarkiai organiniai puslaidininkiai yra nebrangūs. Jie saulės elemento elektrodą padengia plonyčiu, vos kelių nanometrų storio molekuliniu sluoksniu, todėl sunaudojamas labai nedidelis kiekis medžiagos: su 1 g šio puslaidininkio galima padengti 1 000 m2 paviršiaus plotą. O naudojant tradicinius metodus – tik kelis kvadratinius centimetrus. Svarbu, kad paviršius šiomis molekulėmis galima dengti įvairiais metodais, tiek merkimo, purškimo, tiek sukimo metodais. Lietuvos chemikų naudojama technologija leidžia padengti bet kokį paviršių, o esant būtinybei, net ir šiurkščius saulės elementų paviršius, pavyzdžiui, CIGS: vario-indžio-galio-selenido.

TCI buvo pirmoji bendrovė, kuri, įsigijusi patento licenciją, komercializavo šiuos SAM (angl. self-assembled monolayers) puslaidininkius kodiniais pavadinimais „2PACz“, „Me-4PACz“ ir „MeO-2PACz“.

SAM molekulės, komercializuotos bendrovės „Tokyo Chemical Industry“ (nuotrauka iš https://www.tcichemicals.com/assets/brochure-pdfs/Brochure_FF092_E.pdf)

Kiek vėliau šio KTU bei HZB išradimo patentinę licenciją nupirko ir Europoje reziduojanti bendrovė „Dyenamo“ (Švedija). Taip šios mažos molekulės tapo prieinamos daugeliui tyrėjų.

Karaliaus Abdullah mokslų ir technologijų universiteto (KAUST, Saudo Arabija) mokslininkai šias molekules panaudojo kitoje naujos kartos saulės elementų technologijoje – organiniuose saulės elementuose (OPV), pasiekdami rekordinį 18,4 proc. elektros konvertavimo efektyvumą. 

SAM molekulės ypač išpopuliarėjo, kai su „Me-4PACz“ buvo pasiektas tandeminio silicio-perovskito saulės elemento efektyvumo pasaulio rekordas (29,15 proc.). Šis saulės elementas konstruojamas, derinant jau gerai rinkoje žinomą ir naujos kartos saulės elementų gavimo technologijas. Jame dvi komponentės papildo viena kitą. Silicio elementas puikiai absorbuoja infraraudonąją elektromagnetinę spinduliuotę, o perovskitinis – regimąją. Taip gaunamas suminis efektyvumas, kuris yra didesnis už atskiros komponentės efektyvumą. Šis mokslinis sprendimas buvo aprašytas žurnale „Science“ (straipsnis jau pacituotas beveik 400 kartų) bei pristatytas Dubajuje vykusioje parodos „EXPO 2020“ Lietuvos paviljone.

 
Parodos „EXPO 2020“ Lietuvos paviljone išradimą demonstruojantis maketas (nuotrauka iš https://ktu.edu/news/ktu-isradimas-expo-2020-parodoje-dubajuje-pristatytas-saules-elementas-pelnes-lietuvai-pasaulini-rekorda/)

Pastarasis rekordas gyvavo apie metus. Jį pagerino Oksfordo universiteto startuolis „Oxford PV“, pasiekdamas 29,52 proc. tandeminio saulės elemento efektyvumą. Deja, kokie puslaidininkiai buvo panaudoti šiuose įrenginiuose – komercinė paslaptis. Vėliau KTU partneriai iš HZB, kuriems vadovavo prof. Albrechtas Stivas (Albrecht Steve), naudodami lietuvių sukurtas SAM molekules, vėl nudžiugino, pasiekę 29,8 proc. efektyvumo rezultatą (TAIYANGNEWS, Nov. 22, 2021).


Rekordiniai silicio-perovskito tandeminiai saulės elementai (nuotrauka iš C. M. Wolff/EPFL)

Neseniai Lozanos federalinio politechnikos instituto (EPFL) bei Elektronikos ir mikrotechnologijų centro (CSEM) jungtinė mokslininkų komanda paskelbė, kad pagaliau peržengta tandeminio silicio-perovskito saulės elemento 30 proc. efektyvumo riba. Jie sertifikavo 30,93 proc. efektyvumą 1 cm2 plote perovskito sluoksniams esant ant planarizuoto silicio paviršiaus bei 31,25 proc. ant tekstūruoto silicio. Žinoma, didelis iššūkis bus sukurti saulės elementus, kurie gali išlikti stabilūs daugiau nei 20 m., tačiau didesnis efektyvumas, kuris parodomas, yra labai patrauklus fotovoltinei pramonei. Kokios medžiagos naudotos šiuose rekordiniuose prietaisuose, informacijos nepateikta. Tačiau didelė tikimybė, kad čia irgi buvo panaudotos „lietuviškos“ molekulės, nes šios komandos vadovas dr. Kristianas M. Vulfas (Christian M. Wolff) pakvietė KTU chemikus kartu teikti paraišką Šveicarijos nacionaliniam mokslo fondui. Taigi, Lietuvos mokslininkų laukia nauji iššūkiai.

LMA tikrasis narys Vytautas Getautis
Viršelio nuotrauka: Christian Wolff / EPFL