Päikesepaneelid raiskavad palju energiat, aga suur osa sellest on võimalik siiski kinni püüda
Hollandi Groningeni ülikooli ja Singapuris tegutseva Nanyangi tehnikaülikooli teadlased on välja töötanud meetodi pooljuhtidest pärinevate, seni raisku läinud elektronide rakendamiseks. Taoline murrang tähendab, et tulevikus võivad saastevabad päikesepaneelid hakata koguma senisest palju rohkem energiat.
„Kui palju täpselt, sõltub sellest, kuidas loendada, kuid teoreetiliselt võib säästetud energia osakaal küündida 25–30 protsendini,“ kommenteeris Groningeni ülikooli ülikiir-spektroskoopia professor Maxim Pshenichnikov. „Loomulikult kujuneb see reaalsetes tingimustes väikemaks, kuid iga protsent loeb!“
Avastus võib endast kujutada järjekordset sammu teel maksimaalselt tõhusate päikesepaneelide tootmise poole. Rahvusvahelise taastuvenergiaagentuuri IREA aruande kohaselt võib päikeseenergia aastaks 2050 olla kujunenud tuuleenergia järel maailmas mahu poolest teiseks energiaallikaks.
Kombinatsioonis tõhusussäästudega ja arengutega teistes tehnikavaldkondades võib see anda inimkonnale võimaluse vähendada süsinikuemissioone kuni 70 protsenti väiksemaks 2020. aastate tasemetest.
Päikesepaneelide hind kahaneb nüüdisajal kiiresti. Hinna kõrval huvitab teadlaseid kõige rohkem päikesepaneelide tõhusus, s.t võimalus igast paneelist rohkem energiat kätte saada. Praegu kasutatavate ränipaneelide tõhususrekord laboratoorsetes tingimustes on 26,7%. Uudsete lahenduste, nt valguse eri lainepikkuseid püüdvate tandem-elementide tõhusus võib küündida 46 protsendini.
Pshenichnikovi murrang võimaldab valdkonna uurijatel lisada arsenali veel ühe tööriista.
„Kuumad elektronid“ — kuidas need töötavad?
Tavalises fotogalvaanilises päikese-elemendis teisendavad pooljuhid valgusefootoneid elektrivooluks.
Mõnikord pole elektronidel piisavalt palju energiat ja need läbistavad paneeli materjali. Teinekord on elektronidel liiga palju energiat ja materjal ei suuda neid kõiki neelata. Ülemäärast energiat kandvate nn kuumade elektronide energia muundub elektri asemel soojuseks.
Ideaalsetel footonitel on energiatase, mis mahub nn energialõhesse ehk keelutsooni (ingl bandgap), st kõrgeima hõivatud molekulaarorbitaali ja madalaima hõivamata molekulaarorbitaali vahelisse vahemikku.
„Kõrge energiatasemega footonite tekitatud kuumadest elektronidest pärinev ülemäärane energia neeldub materjalis väga kiiresti soojuse kujul,“ selgitas Pshenichnikov pressiteates.
Parim viis suurema hulga footonite püüdmiseks oleks välja töötada laiem energialõhe. Lahendus võib peituda perovskiitides, mis kujutavad endast lootustandvat alternatiivi ränile ja mille masstootmine madalatel temperatuuridel võib olla lihtsamgi kui ränielementide valmistamine.
Laia energialõhe tekitamiseks kombineeris teadlaste töörühm orgaanilisest-anorgaanilisest hübriid-perovskiidist pooljuhtmaterjali orgaanilise ühendiga, mida nimetatakse bathofenantroliiniks (ingl bathophenanthroline). Seejärel ergastati laseri abil elektrone ja uuriti nende käitumist komposiitmaterjalis.
Katsete käigus õnnestus uurimisrühmal tekitada energialõhe-väliseid kuumi elektrone. Uurijad avastasid, et kuumad elektronid tõepoolest neeldusid orgaanilises ühendis.
Mõneti üllataval moel osutus nende elektronide püüdmiseks vajalik energia suuremaks energialõhest, mis annab mõista, et osa energiat kulub takistuse ületamisele.
Pshenichnikovi väitel tuleb demonstratsioonkatses kasutatud materjalidest järgmiseks konstrueerida töötav seade. Kui töörühmal õnnestub näidata, et nende avastust on võimalik päikesepaneelide juures rakendada, võib see aidata edendada püüdluseid suurema hulga päikeseenergia tõhusaks ärakasutamiseks.
Uuringu tulemused ilmusid novembri keskel teadusajakirjas Science Advances.
