Kurs unikalią saulės energijos technologiją
Fo­to­vol­ti­kos – sau­lės ba­te­ri­jų ir sau­lės ener­gi­jos tech­no­lo­gi­jų – spe­cia­lis­tui dr. Ta­dui Pa­ulaus­kui – 33 me­tai. Dar vie­nuo­lik­to­kas jis iš­vy­ko iš Lie­tu­vos ir po 15 me­tų, pra­leis­tų Ame­ri­ko­je, dar pu­san­trų – Aus­tra­li­jo­je, grį­žo at­si­ra­dus ga­li­my­bei įgy­ven­din­ti tarp­tau­ti­nio ly­gio pro­jek­tą.

„Jei kas ir gali šiuo metu pasaulyje deramai kurti bismidais grįstus daugiasandūrinius saulės elementus – tai greičiausiai mūsų komanda“, – įsitikinęs Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) tyrėjas, grįžęs Į Lietuvą pagal Protų pritraukimo ir reintegracijos programą.

FTMC Optoelektronikos skyriaus mokslininkams prof. Arūnui Krotkui, dr. Vaidui Pačebutui, dr. Renatai Butkutei ir dr. Andrejui Geižučiui dar 2006 metais pavyko sukurti naują medžiagą – galio arsenido bismidą. Ji jau naudojama generuoti ir absorbuoti žemesnės energijos terahercų spinduliuotę. Per naująjį projektą siekiama įterpti bismidus į standartinius daugiasandūrinius saulės elementus ir pagaminti naujų elementų prototipus.

Pasak dr. T. Paulausko, daugiasandūriniai saulės elementai yra vieni sudėtingiausių puslaidininkių įrenginių dėl daugiau kaip trisdešimties įvairių medžiagų sluoksnių, kurių kiekvienas turi specifinę funkciją reguliuoti krūvio nešėjų energetinį lygį, o visa struktūra preciziškai suderinta nuo atomų lygmens. Tiesioginiai kvantiniai efektai – taip pat neatskiriama šios technologijos dalis. Pavyzdžiui, tuneliniai diodai leidžia elektronams įveikti energijos barjerus.

Pasijuto kaip namie

Tadas kilęs iš Kauno, Žaliakalnio. Augo elektros inžinieriaus ir medikės šeimoje. Mokėsi Radvilėnų vidurinėje mokykloje. Dar vienuoliktokas 2002 metų žiemą patraukė į Ameriką, paskatintas vyriausiojo brolio Egidijaus, Čikagoje gyvenusio jau daugelį metų. Pas jį ir apsistojo, o tėvai lankydavo iš Lietuvos.

„Buvo labai smalsu, kaip toje Amerikoje, viskas taip nauja, – prisiminė mokslininkas. – Pirmus metus reikėjo prasilaužti su anglų kalba, tačiau jaunesniam yra lengviau. Kita vertus, Čikagoje nemaža lietuvių bendruomenė, tad per tuos penkiolika metų nepamiršau ir lietuvių kalbos.“

Čikagoje Tadas baigė vienuoliktą ir dvyliktą klasę. Tačiau rasti savo kelią naujoje šalyje užtruko ilgiau. Sekėsi ir tikslieji mokslai, ir kalbos, todėl buvo sunku pasirinkti. Ilinojaus universitete pradėjo studijuoti neuroinžineriją. Domino, kaip veikia žmogaus smegenys – nuo psichologijos iki fiziologijos. Tačiau trūko stipresnio pagrindo, fundamentalių žinių.

„Išbandžiau įvairius kursus, ieškodamas, į kokią sritį galėčiau pasinerti. Susižavėjau fizika, norėjau kuo greičiau išmokti skaityti kvantinės mechanikos lygtis, suprasti, ką jos reiškia. Galiausiai perėjau į Fizikos fakultetą ir pasijutau kaip namie“, – prisipažino Tadas.

Be įsiskolinimų bankams

Fizikos bakalauro studentas pradėjo dirbti prof. Sivalingamo Sivananthano vadovaujamoje molekulinės epitaksijos laboratorijoje. Jaunąjį tyrėją įkvėpė prof. S. Sivananthano sėkmės istorija. Mokslininkui, pasitraukusiam iš pilietinio karo draskomos Šri Lankos, pavyko Ilinojaus universitete ištobulinti sudėtingą sintetinimo metodą auginant polines medžiagas ant silicio padėklų. Tai leido įkurti multimilijoninę kompaniją „EPIR Technologies“, aprūpinančią JAV kariuomenę pažangiausia naktinio matymo įranga, radiacijos detektoriais, keliamais į kosminius palydovus stebėti Visatą.

„Kartą juokavome su doktorantu Stevenu Fahey'umi, kad nors ir yra užtektinai įrodymų, jog atomai egzistuoja, norėčiau įsitikinti savo akimis, – pasakojo Tadas. – Tada buvau laimėjęs stipendiją vasaros semestrą atlikti tyrimus su pasirinkta grupe. Stevenas ir pasiūlė pasikalbėti su prof. Robertu F. Klie, iš Vokietijos atvykusiu mokslininku, kurio tyrimų sritis – medžiagų charakterizavimas atomine skyra.“

Fizikos bakalauro studijas lietuvis baigė dirbdamas dr. R. Klie grupėje. Aukštais balais, Magna Cum Laude diplomu. Kartu publikuoti trys straipsniai aukšto reitingo žurnaluose. Tyrinėtas termoelektrinių savybių turinčių medžiagų, tokių kaip oksidai, efektyvumo didinimas. Projektą finansavo JAV pažangiųjų karinių technologijų agentūra.

Jaunasis mokslininkas pristatė tyrimus didžiausioje JAV fizikų konferencijoje, surengtoje Dalase Amerikos fizikos draugijos. O laimėtos įvairios stipendijos, apie 20 tūkst. JAV dolerių (maždaug 17,6 tūkst. eurų), jam leido baigti bakalauro studijas be jokių įsiskolinimų bankams. Taip retai nutinka Amerikoje.

Ambicingas JAV energetikos projektas

Galiausiai prof. R. Klie pasiūlė toliau kartu dirbti ir tapo doktorantūros vadovu. Tokio pat amžiaus kaip Tado brolis Egidijus, vyresnis 12 metų, mokslininkas pasitikėjo doktorantu ir leido visavertiškai prisidėti prie įgyvendinamų projektų bei suteikė galimybę atlikti savo teorinius tyrimus. Prof. R. Klie, įspūdingos karjeros tyrėjas, pripažintas Ilinojaus universiteto kylančia žvaigžde, laimėdavo nemažai projektų.

„Man pradėjus doktorantūros studijas Ilinojaus universitete instaliavome vieną pažangiausių tuo metu skenuojančios transmisinės elektronų mikroskopijos instrumentų JAV ir mūsų grupės bendradarbiavimas toliau plėtėsi“, – prisiminė Tadas.

Jo doktorantūros darbo tikslas buvo įvertinti kristalinių gijų atominių defektų įtaką kadmio ir telūro saulės elementų efektyvumui ir rasti būdų, kaip tą neigiamą įtaką sumažinti. Projektą, per kurį fundamentaliai tirtas saulės elementų našumas nuo atominio lygio iki veikiančio įrenginio, trejus metus finansavo JAV energetikos departamentas. Jis buvo dalis ambicingos iniciatyvos „SunShot“, skirtos spartinti fotovoltikos kainų kritimą ir produktų plėtrą.

Jau Australijoje ėmiau dairytis vietos, kur augčiau kaip mokslininkas, – nelabai klausiau nuogąstavimų dėl galimų sunkumų Lietuvoje.

Prof. R. Klie vadovaujamą komandą taip pat sudarė mokslininkai iš Argono nacionalinės laboratorijos, Teksaso universiteto, ekspertai iš prof. S. Sivananthano tyrimų kompanijos, Lawrence'o Berkeley'o nacionalinės laboratorijos. Doktorantas T. Paulauskas atliko įvairius eksperimentinius matavimus, įskaitant atominės skyros struktūrinį ir cheminį saulės elementų charakterizavimą, naujų metodų kūrimą, taip pat kompiuterinį krūvininkų dinamikos ir fotoelektrinių charakteristikų modeliavimą.

Jaunasis tyrėjas pristatė projektą keliolikoje įvairių konferencijų, skaitė kviestinius pranešimus Elektros ir elektronikos inžinierių instituto (IEEE) fotovoltikos specialistų konferencijoje Naujajame Orleane. Kartu su komanda kas tris mėnesius pateikdavo ataskaitas JAV energetikos departamentui. Prisidėjo prie projekto ir atvesdamas į komandą tyrėjus iš L. Berkeley'o nacionalinės laboratorijos. Dažnai koordinuodavo darbus kaip projekto vadovo padėjėjas. Po trejų sėkmingų metų finansavimas buvo pratęstas dar trejiems metams.

Beprecendenčiu tikslumu

Baigęs doktorantūrą lietuvis dar pusę metų dirbo Ilinojaus universitete ir ieškojo podaktarinės stažuotės kurioje nors kitoje šalyje. Gavo du puikius pasiūlymus. Singapūro nacionaliniame universitete žymaus JAV mokslininko dr. Steveno Pennycooko įkurtai grupei reikėjo tokios kaip jo kompetencijos. Tačiau tyrėjas pasirinko Australijos Monašo universitetą Melburne: ten dirbo stiprių ekspertų iš Kembridžo komanda, darbo pobūdis buvo platesnis ir galėjo įgyti naujų žinių bei patirties.

Melburno universitete dr. T. Paulauskas vadovavo tyrimams, skirtiems susieti aukso nanodalelių atominę struktūrą su optinėmis savybėmis pritaikant jas transportuoti energiją artimaisiais elektromagnetiniais laukais. Taip pat dirbo su teorinėmis grupėmis, kūrė naujus atominės skyros metodus medžiagoms charakterizuoti. Pasak tyrėjo, instrumentai pastaraisiais metais taip ištobulėjo, kad jau galima tikrinti teorinių modelių subtilias detales, jas panaudoti kuriant naujus metodus gauti informacijai apie įvairių medžiagų struktūrą precedento neturinčiu tikslumu.

Papildomos paskatos

Dar prieš išvažiuodamas į Australiją dr. T. Paulauskas lankėsi FTMC, skaitė puslaidininkių fizikos seminaro paskaitą. Jau buvo pažįstamas su FTMC mokslininku dr. Audriumi Alkausku, grįžusiu iš užsienio ir sėkmingai įsikūrusiu Lietuvoje. FTMC padarė labai gerą įspūdį: ir žmonės, ir infrastruktūra, ir vykdomi projektai. Atrodė, kad ir paties patirtis čia puikiai tiktų, galėtų prisidėti prie tolesnio FTMC augimo.

„Tai, kad dirbi gimtojoje šalyje, suteikia papildomų paskatų, – sakė dr. T. Paulauskas. – Visada norėjau grįžti į Europą, arčiau Lietuvos. Todėl jau Australijoje ėmiau dairytis vietos, kur galėčiau įkurti savo grupę, kad toliau augčiau kaip mokslininkas. Tačiau kitoje šalyje investavus daug laiko ir pastangų, būtų atitolęs grįžimas į Lietuvą. Kai atsirado galimybė imtis aukšto lygio tyrimų FTMC, nedelsdamas ja pasinaudojau. Nelabai klausiau aplinkinių nuogąstavimų dėl galimų sunkumų Lietuvoje, labiau orientavausi į jau grįžusius iš užsienio pažįstamus ar Lietuvoje pasilikusius klasės draugus. Mačiau, kad yra puikių žmonių, su kuriais galima ką nors kurti kartu.“

Lietuvos potencialas

FTMC įgyvendinamas projektas kartu su Optoelektronikos skyriaus tyrėjais prof. A. Krotkumi, dr. V. Pačebutu, dr. R. Butkute, dr. A. Geižučiu ir dr. Viktorija Strazdiene. Įvairiais etapais dirbs apie dešimt Lietuvos mokslininkų. Kai kurie matavimai bus atliekami kitose Europos Sąjungos (ES) šalyse. Galimybė prisidėti prie naujos technologijos kūrimo atsivers ir keletui gabių bei motyvuotų studentų. Dr. T. Paulauskas juokavo, kad jis pats dėl tokios galimybės per doktorantūros studijas būtų valandą šokinėjęs iš džiaugsmo.

Šiuo metu visi tipiniai saulės elementai, naudojami generuoti elektros energiją, yra sudaryti iš vienos sandūros. Tai lemia, kad jų teorinis efektyvumas neperžengs maždaug 32 procentų.

„Savo projektu siekiame sumažinti daugiasandūrinių saulės elementų kainą padidindami jų efektyvumą ir supaprastindami sintetinimo metodus. Tokia unikali galimybė Lietuvoje atsirado dėl laimėjimų medžiagų mokslo srityje. Šiuo metu net pažangiausiuose daugiasandūriniuose elementuose naudojamos medžiagos nėra optimalios. O tokie saulės elementai labai reiklūs. Kad puikiai veiktų, juos sudarančių medžiagų tarpatominiai dydžiai turi būti artimai suderinti. Antraip atominiai defektai nustelbia elementų efektyvumą“, – sakė projekto vadovas.

Mokslininkas paaiškino, kad šiuo metu visi tipiniai saulės elementai, naudojami generuoti elektros energiją, yra sudaryti iš vienos sandūros. Tai lemia, kad jų teorinis efektyvumas neperžengs maždaug 32 procentų. Jie jau yra arti praktiškai pasiekiamos ribos. Nors fotovoltinės energijos rinka dar tik kuriasi ir yra didžiulis potencialas toliau didinti pajėgumus esamomis technologijomis, vis dėlto pereinama prie efektyvesnių būdų naudoti išteklius ir generuoti energiją. Didesnio efektyvumo saulės elementams reikia mažesnio ploto, kad būtų pasiektas norimas energijos generavimas. Kartu reikia ir mažiau medžiagų sąnaudų.

Optimaliai suformuoti vienos sandūros elementai pradeda absorbuoti spinduliuotę nuo artimųjų – infraraudonųjų – spindulių. Nors absorbuojama ir daug aukštesnės energijos šviesa, pavyzdžiui, akiai matoma žalia, mėlyna ar dar daugiau energijos turinti ultravioletinė, dabartiniai saulės elementai, kaip pabrėžė dr. T. Paulauskas, negali efektyviai panaudoti šios aukštos energijos spindulių. Sužadinti krūvininkai labai greitai nusileidžia į žemesnius energijos lygius ir galiausiai panaudojami, kai jau yra išsklaidę didelę dalį energijos šilumos pavidalu.

Daugiasandūriniai saulės elementai, pasak tyrėjo, išsprendžia šią problemą, išskaidydami saulės spektro absorbciją į keletą sluoksnių. Viršutinis sluoksnis absorbuoja aukščiausios energijos spindulius ir yra pralaidus mažesnės energijos spinduliams. Taip paeiliui absorbuojama įvairių spalvų šviesa keliaudama gilyn į įrenginį, o tai leidžia kur kas efektyviau išsaugoti panaudojamą energiją.

Kad pasiektų rinką

„Tokio tipo saulės elementai šiuo metu dominuoja nuolat augančioje kosmoso rinkoje. Beveik 50 proc. efektyvumas jau yra pasiekiamas ir žemėje, panaudojus koncentruotą saulės šviesą. Šios technologijos savikaina jau tampa konkurencinga tipiniams saulės elementams. Pramoninio dydžio saulės jėgainių yra JAV, Kinijoje, pietinėse ES šalyse, Afrikoje. Prognozuojama, kad jų kaina toliau kris greičiau nei tipinių saulės elementų“, – pasakojo dr. T. Paulauskas.

Kad bismidais grįstų daugiasandūrinių saulės elementų technologija pasiektų rinką, mokslininkai pasirengę tam tikru projekto etapu bendradarbiauti su pramonės įmonėmis. Taip pat tikimasi bendradarbiauti su Europos kosmoso agentūra ir išbandyti prototipus atitinkamose sąlygose.

Įgyvendinant projektą bus ištobulintos dar kelios technologijos. Jos suteiks mokslininkams galimybę toliau plėsti savo veiklą. Pavyzdžiui, galio arsenido padėklo, ant kurio auginami saulės elementai, daugkartinis panaudojimas leis iki 50 proc. sumažinti gamybos kaštus. Ši technologija taip pat leistų sumažinti galio arsenidu grįstų vienos sandūros elementų kaštus. Kaip patikino projekto vadovas, galima pagaminti plonyčius kelių mikronų storio elementus, kurie efektyvumu lenkia silicio elementus.