Jedne z najbardziej obiecujących rodzajów ogniw słonecznych mianowicie ogniwa III generacji mają kilka wad. Naukowiec z Michigan Technological University stawił czoło jednej z tych słabości. Barwnikowe ogniwa są cienkie, elastyczne oraz łatwe do wykonania a także bardzo dobrze zamieniają energię promieni słonecznych w energię elektryczną. Jednakże głównym ich składnikiem jest jeden z najbardziej kosztownych metali na świecie – platyna. Za jej niewielką ilość musimy zapłacić sporo, a cena oscyluje wokół 1500$ za uncję, co w kwestii budowy ogniw jest sprawą bardzo istotną, można by rzecz czynnikiem dominującym o cenie co przekłada się na brak powszechnej dostępności takich typów ogniw.
Ogniwa fotowoltaiczne III generacji, które znacznie różnią się od ogniw monokrystalicznych i polikrystalicznych. Chodzi o wymyślone przez firmę Dyesol tzw. ogniwa barwnikowe, które wykorzystują mechanizm stosowany przez naturę od milionów lat – fotosyntezę. Ogniwa barwnikowe określane są skrótem DSC od angielskiego dye-sensitized solar cell (inne określenia to DSSC lub DYSC). Urządzenia takie składają się z nanokomórek zawierających syntetyczny barwnik, będący odpowiednikiem chlorofilu. W swoim działaniu naśladują one komórki spotykane w liściach roślin. Nie zagłębiając się w szczegóły, warto wiedzieć, że tego rodzaju technologia pozwala na czerpanie energii z promieni słonecznych w warunkach, w których poległyby inne rodzaje paneli. Ogniwa barwnikowe pracują obustronnie przy świetle rozproszonym i odbitym. Jako że są niemal całkowicie przejrzyste można je montować w pomieszczeniach jako przejrzyste ścianki albo w świetlikach dachowych czy na szklanych powierzchniach budynków. Sprawdzą się także w miejscach częściowo zacienionych, na ścianach budynków, w przedsionkach czy wiatrołapach.
Yun Hang Hu, Charles oraz Caroll McArthur profesor Inżynierii Materiałowej opracował nowy, tani materiał który może skutecznie zastąpić platynę w ogniwach słonecznych nowego typu bez jakiegokolwiek wpływu na ich wydajność przetwarzania energii słonecznej, a jest nim grafen w postaci trójwymiarowej. Regularny grafen jest znany ze swojej dwuwymiarowej struktury plastra miodu o grubości jednego atomu. Naukowcy przeprowadzili syntezę grafenu w zupełnie odmienny sposób otrzymując strukturę 3D. Aby to zrealizować, połączyli tlenek litu z tlenkiem węgla co w wyniku reakcji chemicznej dało węglan litu (Li2CO3) oraz grafen. Węglan litu pomógł uformować arkusze grafenu izolując je od siebie, dając możliwość losowego połączenia się w różnych płaszczyznach, co przeciwdziała tworzeniu się dobrze znanego grafitu czyli pierwotnej formy tej rodziny odmian alotropowych. Co więcej Li2CO3 daję się z łatwością usunąć z trójwymiarowej struktury grafenu za pomocą kwasu.
Badacze ustalili że “grafen 3D” posiada dobre przewodnictwo oraz wysoką aktywność katalityczną, co zwiększa możliwość zastosowania go do konwersji oraz magazynowania energii. Następnie zastąpili platynową przeci welektrodę ogniwa barwnikowego na wykonaną z “grafenu 3D” , wystawili na działanie promieni słonecznych i zmierzyli parametry wyjściowe. Ogniwo z nowych typem przeciw elektrody przekształciła 7,8% energii słonecznej w elektryczną, co daje niewiele gorszy wynik aniżeli w przypadku konwencjonalnych ogniw barwnikowych z elementami platynowymi (8%). “Synteza nowej formy grafenu nie jest ani droga ani trudna, a wytwarzanie z niego przeciw elektrod nie jest problemem” – powiedział Hu. W ciągu ostatnich miesięcy ogniwa barwnikowe stały się bardzo konkurencyjne dla ogniw fotowoltaicznych I i II generacji. Wciąż jednak trwają badania nad ogniwami DSC i mają one nadal niewielki udział w rynku. Bez wątpienia jednak przyszłość należy do nich.
Miejmy nadzieję że kolejne efektywne zamienniki pozwolą na dalsze obniżanie ceny, aby zwykli zjadacze chleba mieli dostęp do ogniw III generacji gdyż obecnie na naszych dachach widać zastój w epoce krzemowej….
Źródła:
[1] Hui Wang, Kai Sun, Franklin Tao, Dario J. Stacchiola, Yun Hang Hu. 3D Honeycomb-Like Structured Graphene and Its High Efficiency as a Counter-Electrode Catalyst for Dye-Sensitized Solar Cells. Angewandte Chemie, 2013; DOI: 10.1002/ange.201303497
[2] Grafika udostepniona za zgodą SolarPrint, http://www.solarprint.ie/press-center/press-releases/53/solarprint-to-enable-the-next-generation-of-self-powered-indoor-wireless-sensors