Naukowcy ze sztokholmskiego KTH Royal Institute of Technology odkryli w jaki sposób można zwiększyć żywotność ogniw barwnikowych a także ich wydajność. Inspirowane procesem fotosyntezy, polimery przewodzące – ogniwa barwnikowe są obiecującym rozwiązaniem jako tanie urządzenia do konwersji energii słonecznej w elektryczną, a przy użyciu odpowiednich katalizatorów będą w stanie generować wodór jak i tlen.
Polimery przewodzący na bazie związków kobaltu
Zespół badaczy pod kierownictwem profesora fotoelektrochemii James’a Gardener’a, poinformował o wynalezieniu nowego elektrolitu w formie quasi-cieczy na bazie polimerów, który znacząco polepsza zarówno napięcie jak i natężenie prądu ale również obniża rezystancję pomiędzy elektrodami. Posiadamy teraz niezbity dowód, że poprzez dodatek polimeru przewodzącego jonowo do elektrolitu kobaltowego redox ogniwa, transport utlenionych cząstek elektrolitu jest znacznie usprawniony – powiedział Garden. Przyspieszenie transportu zwiększa wydajność ogniwa o 20%. Ogniwa barwnikowe absorbują fotony i przenoszą elektrony do pasma przewodnictwa transparentnego półprzewodnika. Anoda jest płytką o wysokiej porowatości, cienką warstwą dwutlenku tytanu pochłaniającą światło widzialne. Elektrony w półprzewodniku przemieszczają za pośrednictwem anody do zewnętrznego obwodu.
Polimery przewodzące mogą znaleźć zastosowanie przy budowie ogniw barwnikowych
Więcej o ogniwach barwnikowych: Grafen w ogniwach barwnikowych
Quasi-ciecz w budowie ogniw
W elektrolicie, związki kobaltu zachowują się jak katalizatory, zapewniając wewnętrzną ciągłość elektryczną pomiędzy anodą i katodą. Kiedy barwnik uwalnia elektrony, i zostaje utleniony przez dwutlenek tytanu, elektrolit dostarcza elektronów aby uzupełnić deficyt po oddanych elektronach. Dzięki takiemu mechanizmowi, molekuły barwnika powracają do swych pierwotnych stanów. W rezultacie elektrolit zostaje utleniony i zubożały w elektrony, migrując w kierunku katody aby odzyskać brakujące ładunki ujemne. Elektrony przemieszczają się poprzez obwód razem z utlenionymi związkami kobaltu dopóki nie dotrą do katody. W ogniwach o najwyższej wydajności transport jonów odbywa się za pośrednictwem acetonitrylu, lotnym rozpuszczalniku organicznym o niskiej lepkości. Jednak aby skonstruować stabilną formę ogniwa przeznaczoną do użytku komercyjnego, zamiast lotnego rozpuszczalnika stosuje się metoksypropionitryl. Związek jest bardziej stabilny niż jego poprzednik jednakże posiada większą lepkość co znacznie utrudnia przepływ jonów. Niemniej jednak wraz z wprowadzeniem elektrolitu na bazie polimeru w formie quasi-cieczy (zawierającego związki Co3 Co2 (ang. redox mediator) w 3-metoksy propionitrylu) badacze przezwyciężyli problem lepkości. W tym samym czasie, dodając polimeru przewodzącego jonowo, elektrolit zachowuje niską lotność. To pozwala utlenionym związkom kobaltu szybciej dotrzeć do katody i zmienić się w formę zredukowaną. Przyspieszenie transportu jest bardzo ważne ponieważ zmniejsza opór oraz zwiększa natężenie i napięcie prądu w ogniwie barwnikowym.
Źródła:
Muthuraaman Bhagavathi Achari, Viswanathan Elumalai, Nick Vlachopoulos, Majid Safdari, Jiajia Gao, James Michael Gardner, Lars Kloo. Quasi-liquid polymer-based cobalt redox mediator electrolyte for dye-sensitized solar cells.Physical Chemistry Chemical Physics, 2013; DOI:10.1039/C3CP52869C
Grafika: Polymer organishe Solarzelle 01 by Kuebi = Armin Kübelbeck, commons.wikimedia.org, CC BY 3.0