Tauriųjų metalų nanodalelių elektronų virpėjimas šviesos dažniu – reiškinys, leisiantis pagaminti pigesnius ir veiksmingesnius saulės elementus. Bent jau taip teigia Čalmerso technologijos universiteto (Švedija) mokslininkai.
Elektrą gaminantys saulės elementai yra viena perspektyviausių iškastinio kuro alternatyvų. Tai ilgalaikis, ekologiškas ir gamtos išteklių nemažinantis elektros gavimo būdas, tačiau tenka pripažinti, jog ši technologija dėl ekonominių priežasčių dar nėra itin konkurencinga. Vis dėlto tyrėjai žvelgia į ateitį optimistiškai ir mėgina išsiaiškinti, kaip nanotechnologijos galėtų sumažinti saulės elementų kainą.
Saulės elementai yra sudaryti iš sluoksnių, kurie sugeria saulės šviesą ir paverčia ją elektros srove. Plonesni saulės elementai galėtų gaminti daugiau elektros ir ji būtų pigesnė, tačiau tam reikia rasti būdą, kaip tinkamai optimizuoti jų savybę sugerti saulės šviesą.
Vienas iš galimų šviesos sugerties padidinimo būdų – tauriųjų metalų nanodalelių panaudojimas. Karlas Haglandas (Carl Hägglund) iš minėto Čalmerso technologijos universiteto savo daktaro disertacijoje detaliai išnagrinėjo tokią galimybę.
Tauriųjų metalų nanodalelės pasižymi tam tikromis optinėmis savybėmis, nes jų elektronai gali virpėti tuo pačiu dažniu kaip ir šviesa, t. y., priklauso nuo šviesos spalvos. Dalelės, lyg mažos antenytės, sugauna šviesą, o šviesos energija susidarančių virpesių pavidalu yra perduodama kaip elektra. Šie virpesiai, vadinami plazmonais, ypač sustiprėja esant tam tikriems vadinamiesiems plazmonų rezonansiniams dažniams, kuriuos savo ruožtu lemia dalelių forma, dydis ir jų aplinka.
„Panaudojus nanotechnologijas mums pavyko sukurti daleles, – pasakoja K. Haglandas. – Tada galėjome ištirti jų savybes bei nustatyti, kaip jos galėtų padidinti skirtingų spalvų šviesos sugertį“.
Kalbant apie saulės elementus, viena sunkiausiai įgyvendinamų užduočių yra veiksmingas elektronų virpėjimo energijos pavertimas elektros energija.
„Mums pavyko parodyti, jog būtent dalelių virpesiai suteikia energiją, be to, kaip ji yra perduodama medžiagai bei virsta elektra, – toliau pasakoja mokslininkas. – O juk galėjo paaiškėti, kad, pavyzdžiui, virpesiai tiesiog virsta šiluma“.
Geriausių šiuolaikinių saulės elementų naudingumo koeficientas jau dabar pakankamai didelis, todėl tolesnis šių elementų tobulinimas turėtų būti orientuotas į matmenų ir kainos mažinimą.
K. Haglandui pavyko nustatyti, jog saulės elementams reikalingas viso labo tik kelių nanometrų storio aukso nanodalelių sluoksnis, norint, kad šviesos sugertis vyktų pakankami efektyviai.
Savo disertacijoje mokslininkas aprašė, kaip tauriojo metalo nanodalelės paveikė dviejų rūšių saulės elementus. Vienu atveju šviesą sugerė molekulės, išdėstytos ant saulės elemento paviršiaus. Kitu – molekulės buvo paslėptos giliai medžiagoje.
Eksperimentiniai ir teoriniai rezultatai rodo, jog dalelės keliais skirtingais būdais gali padėti šviesos energiją paversti elektra. Be to, saulės elementų šviesos sugertį įmanoma padidinti tiek jų paviršiuje, tiek giliai viduje – šiuo atveju pasireikš skirtingi fizikiniai mechanizmai.
Šie K. Haglando tyrimai atlikti pagal medžiagų mokslo tyrimo programą „PhotoNano“. Juos finansavo Švedijos strateginių tyrimų fondas.
