Saulės spinduliai – kasdienis reiškinys, slepiantis milžinišką energijos potencialą. Tačiau kol didžioji šios energijos dalis vis dar iššvaistoma, mokslininkai ieško būdų, kaip ją paversti elektra efektyviau ir išradingiau. Nuo pažangiausių kristalinių struktūrų iki gamtos įkvėptų sprendimų – net uogų pigmentų – jų eksperimentai atveria netikėtas galimybes.
Saulės spinduliai – kasdienis reiškinys, slepiantis milžinišką energijos potencialą. Tačiau kol didžioji šios energijos dalis vis dar iššvaistoma, mokslininkai ieško būdų, kaip ją paversti elektra efektyviau ir išradingiau. Nuo pažangiausių kristalinių struktūrų iki gamtos įkvėptų sprendimų – net uogų pigmentų – jų eksperimentai atveria netikėtas galimybes.
„Skaičiavimai rodo, kad tinkamai ištobulinus saulės elementus būtų galima visiškai patenkinti visuomenės energijos poreikius. Didelis jų privalumas – universalumas: saulės elementus galima įrengti beveik bet kur – nuo didelių laukų plotų, kiemų ar namų stogų iki kasdienių buities daiktų, tokių kaip kuprinės, lemputės ar išorinės baterijos“, – sako Kauno technologijos universiteto Cheminės technologijos fakulteto (KTU CTF) mokslininkė ir Technologinių ir fizinių mokslų ekscelencijos centro (TiFEC) tyrėja dr. Šarūnė Daškevičiūtė.
Lietuvoje saulės pakanka
Pasak KTU mokslininkės, šiuo metu daugiausia – apie 90 proc. – naudojami polikristalinio silicio saulės elementai, tačiau jų gamyba išlieka brangi ir sudėtinga. Kaip pigesnė alternatyva sparčiai plinta organiniai ir hibridiniai trečiosios kartos elementai.
„Tarp jų ypač išsiskiria perovskitiniai saulės elementai, kurių efektyvumas per pastarąjį dešimtmetį įspūdingai išaugo – nuo 3,8 iki daugiau nei 26 proc. Šiuo laikotarpiu imta plačiau taikyti įvairias naujas medžiagas, siekiant dar labiau pagerinti elementų veikimą ir atrasti praktines jų pritaikymo galimybes visuomenėje“, – dalijasi ji.
Pavyzdžiui, polimeriniai saulės elementai yra per brangūs dideliems laukų plotams, tačiau itin patogūs montuoti ant lanksčių ir lengvų paviršių. Tai atveria galimybes jų pritaikymui karo pramonėje, kur mobilumas yra itin svarbus, o energijos tiekimas turi būti užtikrinamas įvairiose vietovėse.
Kitas pavyzdys – skaidrūs saulės elementai. Nors jų efektyvumas kol kas mažesnis nei silicio elementų, į pastatų langus integruoti moduliai, be įprastų stiklo savybių, suteikia papildomą privalumą – galimybę generuoti energiją.
„Europos Sąjungoje (ES) tik kiek daugiau nei 20 proc. energijos išgaunama iš atsinaujinančių šaltinių. Siekiama, kad iki 2030 m. ši dalis išaugtų iki 42,5 proc., o iki 2050 m. būtų pasiektas klimato neutralumas, reiškiantis nulinę šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisiją“, – pasakoja Š. Daškevičiūtė.
Šiuo metu komerciškai prieinami saulės elementai vis dar yra gana brangūs, todėl mokslininkai ir inžinieriai nuolat ieško būdų sukurti pigesnes jų alternatyvas.
Vis dėlto, pasak Š. Daškevičiūtės, galima pasidžiaugti, kad šiandien Lietuvoje sparčiai daugėja saulės elektrinių. Prie to reikšmingai prisidėjo valstybės subsidijos, kurios sudarė palankesnes sąlygas gyventojams tapti elektrą gaminančiais vartotojais.
„Dažnai manoma, kad Lietuvoje saulės energetika neefektyvi, nes čia per mažai saulės. Tačiau mūsų klimatas iš tikrųjų yra gana palankus: Lietuva gauna panašų saulės kiekį kaip ir Vokietija, kur ši energetikos sritis plačiai išplėtota. Be to, žemesnė temperatūra didina modulių veikimo efektyvumą, todėl mūsų šalyje saulės elektrinės per metus pagamina apie 950–1100 kWh iš kiekvieno 1 kW įrengtosios galios. Vadinasi, teiginys, kad Lietuvoje saulės nepakanka, yra nepagrįstas“, – pažymi ji.
Uogos – ne tik maistui, bet ir energijai
KTU CTF mokslininkas ir TiFEC tyrėjas dr. Ernestas Kasparavičius pasakoja, kad viena pagrindinių saulės elementų sudedamųjų dalių yra šviesą sugeriantis sluoksnis. Jis gali būti sudarytas iš natūralių dažiklių arba cheminių junginių, gautų sintezės būdu. Uogos šiuo atžvilgiu yra vertingos, nes jų sudėtyje esantys pigmentai geba efektyviai sugerti saulės šviesą.
Jau keletą metų KTU tyrėjai (Š. Daškevičiūtė, KTU CTF mokslininkė dr. Aistė Jegorovė ir E. Kasparavičius) moksleiviams demonstruoja eksperimentus, susijusius su saulės elementų gamyba. Mintis panaudoti uogas kaip šviesą sugeriantį sluoksnį gimė iš siekio parodyti netradicinį požiūrį ir paskatinti moksleivių žingeidumą.
„Juk visada įdomiau atlikti bandymus su buityje randamomis ir gerai atpažįstamomis medžiagomis, nei dirbti su nepažįstamais, laboratorijose susintetintais dažikliais. Vien tai, kad saulės elementai gaminami iš uogų, iš karto patraukia moksleivių dėmesį ir skatina jų smalsumą. Džiaugiamės, kad ši idėja išpopuliarėjo visoje Lietuvoje – jau esame vedę daugybę pamokų skirtingose mokyklose, skaitę pranešimus konferencijose ir dalyvavę ne viename dideliame mokslo renginyje“, – dalijasi jis.
E. Kasparavičius papildo, kad visi saulės elementai iš esmės sudaryti iš medžiagų, atliekančių tas pačias funkcijas. Nesvarbu, ar naudojamos uogos, ar chemiškai gauti dažikliai – veikimo principas išlieka tas pats: krintanti saulės šviesa sužadina dažiklyje esantį elektroną, kuris juda per skirtingus sluoksnius, atlieka darbą ir galiausiai grįžta į oksiduotą dažiklio molekulę, ją regeneruodamas.
„Dirbdami su moksleiviais dažniausiai pasirenkame stipriai dažančias uogas – avietes ir gervuoges, taip pat ryškios spalvos erškėtrožių arbatą. Vis dėlto vienos geriausios žaliavos nėra, nes čia svarbus ir žmogiškasis veiksnys. Kiekvieno moksleivio pagaminto elemento efektyvumas gali skirtis, kadangi rezultatus lemia, kaip kruopščiai atliekamas kiekvienas gamybos žingsnis“, – pažymi jis.
Mokslininkų dėmesys – chlorofilams
Š. Daškevičiūtė pažymi, kad tokios uogos kaip avietės ar gervuogės puikiai auga Lietuvos klimate ir turi pakankamai pigmentų, jog iš jų būtų galima pagaminti saulės elementus. Vis dėlto jų efektyvumas yra gerokai mažesnis nei laboratorijose išgautų dažiklių, nes natūralūs junginiai biologiškai skyla.
„Paprastą to iliustraciją galima rasti pačioje gamtoje: augalui lapai atlieka saulės elementų funkciją, aprūpindami jį energija, tačiau, kaip žinome, augalai reguliariai numeta lapus ir išaugina naujus – tarsi atnaujindami savo saulės elementus“, – pasakoja ji.
Nors uogų pigmentai domina kaip galimi bio-saulės elementų komponentai, mokslininkai vis aktyviau tyrinėja ir kitus natūralius junginius, kurie gali efektyviau sugerti šviesą bei būti atsparesni aplinkos poveikiui.
„Vieni iš labiausiai dėmesio sulaukiančių junginių – chlorofilai, randami augaluose ir dumbliuose. Įdomu tai, kad augalai ar dumbliai turi skirtingus chlorofilo tipus, kurie sugeria šviesą nevienodame bangos ilgių diapazone“, – aiškina ji.
Mokslininkai tiria šiuos skirtumus, nes tokios žinios gali prisidėti prie naujų, gamtos įkvėptų saulės elementų technologijų kūrimo. Kitaip tariant, siekiama ne tik perimti iš augalų tam tikrus veikimo principus, bet ir panaudoti skirtingų chlorofilų savybes efektyvesnei energijos gamybai.
