Saulės elementai verčiantys šviesos energiją elektra yra bene seniausiai žinomi puslaidininkiniai prietaisai - pirmieji 4 proc. efektyvumo silicio saulės elementai buvo sukurti Bello laboratorijoje (JAV) daugiau kaip prieš 50 metų. Deja, jie tobulėjo kur kas lėčiau nei kiti puslaidininkių elektronikos komponentai, kuriems galioja garsusis Mūro dėsnis - kas porą metų prietaiso parametrai pagerėja dvigubai - todėl šiandien parduodamų saulės elementų energijos vertimo efektyvumas retai viršija 15 proc. Tokia padėtis negali tenkinti gausių saulės energetikos srityje dirbančių mokslininkų, todėl neseniai buvo prašnekta apie naujos - trečios kartos saulės elementų kūrimo perspektyvas.

Trys saulės elementų kartos

   "Seneliai" - pirmosios kartos saulės elementai yra gaminami iš silicio plokštelių. Šiandien jie užima daugiau kaip 90 proc. visos pasaulinės fotovoltinių saulės elementų rinkos. Po 2000 m., pasinaudojant pasaulinę mikroelektronikos pramonę ištikusia krize ir dėl jos gerokai atpigus kristaliniam siliciui, ši rinka patyrė tikrą bumą, kurį labai paskatino Japonijos ir Vokietijos vyriausybių politika, skatinanti atsinaujinančių energijos šaltinių plėtrą. Dabar 15 % efektyvumo silicio saulės elementų modulių gamybos kaina yra apie 300 JAV dolerių už m² (žr. 1 pav.). Palyginti brangu, ypač jei prisiminsime, kad 1 m², padengtas tokiu moduliu, vidutiniškai saulėtą dieną tegamins tik apie 100 W galią. Norint gauti daugiau, tenka saulės elementais dengti ištisas namų sienas ar stogus, o tai ne visiems patinka. Iš kolegų italų teko išgirsti, kad jų aplinkos apsaugos ministras taip tiesiai ir pareiškė: "Neleisiu darkyti nuostabaus mūsų šalies gamtovaizdžio!" Aišku, visa tai yra skonio reikalas, bet, išties, Italijoje saulės elementų modulius - kaip, beje, ir mūsų taip pamėgtas spalvoto stiklo dėžes - išvysi kur kas rečiau nei Vokietijoje ar Olandijoje.

1 pav. Trys saulės elementų kartos skiriasi savo kaina ir šviesos energijos vertimo elektra efektyvumu.

   Spręsti saulės energijos kainos problemą galima dviem būdais: didinant elementų efektyvumą arba piginant jų gamybą. Vadinamosios II kartos saulės elementų kūrėjai pasirinko antrąjį kelią. Šiai kartai yra priskiriami plonasluoksniai saulės elementai, gaminami iš gal ir ne tokių tobulų kaip silicis, bet gerokai už jį pigesnių medžiagų. Itin ženkli pažanga pastaraisiais metais buvo pasiekta kuriant saulės elementus iš junginio sudaryto iš vario, indžio, galio ir seleno (CuInGaSe2). Praėjusių metų rugpjūčio mėnesį JAV Nacionalinė atsinaujinančios energijos šaltinių laboratorija pranešė pagaminusi CuInGaSe₂ saulės elementą, kurio efektyvumas siekė 19,9 % - beveik tiek pat, kiek ir geriausių iš silicio pagamintų prietaisų. Tiesa, to elemento plotas tebuvo vos keli kvadratiniai milimetrai, tačiau - irgi pernai - net dvi Vokietijos firmos pradėjo masinę didelio (apie 0,5 m²) ploto ir artimo 15% efektyvumo CuInGaSe₂ saulės elementų gamybą.

   Maksimalų saulės elementų efektyvumą lemia Saulės paviršiaus temperatūra ir entropijos santykis su krintančios į elementą energijos srautu. Ši termodinaminė riba yra gana didelė - 93% tiesiogiai ir 74% išsklaidytai saulės šviesai. Didelis skirtumas tarp šios ribos ir ligšiolinių pasiekimų atsirado dėl nepakankamai tobulos saulės elementų konstrukcijos. Ją tobulinti ir pasiryžo trečiosios kartos saulės elementų kūrėjai. Trečiosios kartos saulės elementuose turėtų būti išsaugoti pagrindiniai II kartos elementų privalumai: jie turi būti plonasluoksniai, gaminami iš nebrangių, netoksiškų, stabilių ir aplinkai atsparių medžiagų. Karštųjų elektronų saulės elementai

   Kai saulės šviesos kvantai yra sugeriami puslaidininkyje, jie sukuria elektronus, kurių potencinė energija yra 2 eV ar net didesnė. Jeigu tokie "karštieji" elektronai iškart per elemento kontaktus patektų į išorinį grandyną, jie ir ten galėtų sukurti panašaus dydžio elektros įtampą. Deja, elektronai sparčiai šąla atiduodami savo energiją medžiagos atomams ir visai be reikalo šildydami patį elementą. Todėl, pavyzdžiui, silicio saulės elemento sukuriama įtampa netgi nesiekia 1 V. Akivaizdu, jog pavykus tokį šalimą sulėtinti saulės elementų efektyvumas gali padidėti mažiausiai du kartus (2 pav.).

2 pav. Karštųjų elektronų saulės elementuose efektyvumas yra dvigubai didesnis nei tradiciniuose.

   Vienas iš karštųjų elektronų efekto panaudojimo saulės elementuose būdų būtų medžiagos, kurioje elektronų šalimas yra sulėtėjęs paieškos. Teoretikai sako, jog tokios turėtų būti medžiagos, kurių gardelę sudaro labai vienas nuo kito savo mase besiskiriantys atomai. Tokiose medžiagose vadinamieji optiniai fononai - gardelės svyravimų kvantai, kuriems elektronai ir perduoda savąją energiją - negalėtų suskilti į ilgesnes gardele sklindančias bangas, jų pasidarytų tiek daug, kad optiniai fononai taptų "karštais" ir jie patys galėtų palaikyti aukštą elektronų temperatūrą. Mokslininkų žvilgsnis nukrypo į InN, medžiagą, kurią sudarančių indžio ir azoto atomų masės skiriasi net 8,2 karto ir kurioje jau buvo stebėtas šis "fononų draustinių energijos juosta" vadinamas reiškinys. Net ir paprasčiausias iš InN pagamintas darinys su viena sandūra teoriškai galėtų versti saulės šviesą elektra net 69% efektyvumu. Belieka laukti pirmųjų saulės elementų, pagamintų iš šios naujos medžiagos bandymų.

Kvantiniai taškai, fulerenai ir kitokie nanodariniai

   Kvantiniai taškai, dar pavadinami dirbtiniais atomais, yra keleto nanometrų skersmens puslaidininkinės dalelės, kurios šiuo metu yra intensyviai tyrinėjamos ir bandomos taikyti pačiuose įvairiausiuose prietaisuose. Pagrindinis kvantinių taškų ir kitų panašių puslaidininkinių nanodarinių pranašumas yra tas, kad, keičiant jų matmenis galima pasirinktinai keisti jų sugerties kraštą - sugeriamos šviesos spalvą. Saulės elementų atveju tai reiškia, jog kiekvienos spalvos šviesos kvantui galima parinkti po tiksliai tokios energijos kvantus sugeriantį kvantinį tašką ir iki minimumo sumažinti energijos nuostolius, atsirandančius dėl prietaiso šilimo. 3 pav. yra parodytas įsivaizduojamas saulės elementas, pagamintas iš silicio naudojant nanotechnologiją. 3-4 nm skersmens silicio nanokristalai efektyviai sugers šviesą, o ploni dar smulkesnių kristaliukų sluoksniai abiejose darinio pusėse tarnaus selektyviais kontaktais, atrenkančiais tik reikalingos energijos elektronus.

3 pav. Nanokristalinis saulės elementas. Įvairaus dydžio nanokristalai absorberio sluoksnyje leidžia efektyviau sugerti įvairaus bangos ilgio fotonus, o mažiausi nanokristalai prie kontaktų į grandyną įleidžia tik didelės energijos elektronus.

   Kelios JAV ir Europos kompanijos bando įsisavinti šveicarų profesoriaus Grėtcelio pasiūlytų saulės elementų gamybos technologiją. Ji irgi remiasi nanokristalais, tik pagamintais iš titano dioksido. Kadangi ši medžiaga yra dielektrikas, nanokristalai yra "apvelkami" organiniais šviesą stipriai sugeriančiais dažais, o smulki nanokristalų struktūra apie 1000 kartų padidina šviesą sugeriantį saulės elementų plotą. Nanosolar iš Kalifornijos tvirtina sukūrusi dažų elementus, kurių efektyvumas yra palyginamas su kristalinio silicio saulės elementasi, o kaina yra net dešimt kartų mažesnė.

   Intensyviai tiriamos ir iš anglies atomų sudarytų nanodalelių taikymo saulės elementuose perspektyvos. Bene žinomiausia iš tų nanodalelių yra fulerenu vadinama futbolo kamuolį primenanti molekulė, atrasta dar 1985 m. Fulerenų tyrinėjimai paskatino ir kitų anglies nanodarinių: nanovamzdelių, nanolakštų ir ankščių (fulerenais užpildyti nanovamzdeliai) sukūrimą. Saulės elementuose yra bandomos taikyti endohedrinės metalo-fulerenų (EMF) molekulės - fulerenai pripildyti metalo atomų. Keičiant užpildui naudojamą metalą galima keisti įvairius šių darinių parametrus. JAV kompanija "Luna Nanoworks", kurianti lanksčių plonasluoksnių saulės elementų technologiją, fulereno viduje talpina azotą, apsuptą keturių erbio atomų.

   Tyrimų daug, bet tai, kad nanokristaliniai saulės elementai tikrai gali pasižymėti dideliais efektyvumais, dar teks įrodyti eksperimentiškai.

   Fotovoltinių saulės elementų rinka pastaraisiais metais kasmet užauga po maždaug 30 procentų. Bendra 2004 m. instaliuotų saulės elementų galia jau siekė 1 GW. Jiems pagaminti prireikė net 10 000 tonų silicio - trečdalio viso pasaulyje pagaminamo silicio kiekio. Nors silicis yra vienas labiausiai Žemėje paplitusių elementų, dėl nepakankamų pramonės pajėgumų jo ima trūkti. Šis trūkumas dar labiau paskatino naujais principais paremtų saulės elementų tyrimus. Nors ekspertai ir nemano, kad trečiosios kartos saulės elementų technologija artimiausioje ateityje rinkos dar nepasieks, bet niekas neabejoja, kad veikiai turėtų atsirasti pirmieji ją naudojant pagaminti fotovoltiniai prietaisai.