„Popkornové“ svetlocitlivé solárne články
Fotovoltaické články s pórovitými elektródami vyrobenými z nanokryštálov dokážu premeniť energiu oveľa efektívnejšie ako súčasné svetlocitlivé zariadenia.
Slnko je primárnym zdrojom energie pre život na Zemi. Každú hodinu vyšle k Zemi 4,3 x 10(20) J, čo je viac ako celková ročná spotreba energia ľudstva (zodpovedajúca odhadovanej spotrebe cca 13 TW). Človek sa snaží aspoň časť dopadajúcej energie využiť pomocou solárnych zariadení. Jedným z najbežnejších sú slnečné kolektory zabezpečujúce v mnohých domoch teplú úžitkovú vodu, prípadne pomáhajú dom vykurovať. Slnečné fotovoltaické články sú ďalšou možnosťou na využitie slnečného svitu, na výrobu elektrickej energie. Doposiaľ boli najrozšírenejšie kryštalické kremíkové polovodičové solárne fotovoltaické články, ktoré boli vynájdené pred viac než päťdesiatimi rokmi a v súčasnosti zaberajú 94 percent trhu. Ich najväčšou nevýhodou je relatívne vysoká cena, ktorá obmedzuje široké využitie. Skúšajú sa rôzne spôsoby ako zlacniť a sprístupniť priamu cestu k elektrickej energii vyrábanej slnečnými lúčmi. Jednou z ciest je organická fotovoltaika prípadne sľubne sa vyvíjajúce možnosti farbocitlivých solárnych článkov (Dye-sensitized solar cells - DSSC). Ich najväčším nedostatkom je relatívne nízka účinnosť s ktorou dokážu premieňať svetlo na elektrinu.
Farbocitlivé solárne články prvýkrát presiahli štvorpercentnú účinnosť premeny energie (power-conversion efficiency - PCE) na začiatku deväťdesiatych rokov minulého storočia. To bol dôvod, že na dlhú dobu dostali prednosť účinnejšie kremíkové články. Farbocitlivé články DSSC boli pritom omnoho lacnejšie a jednoduchšie na výrobu ako ich kryštalická kremíková konkurencia. Lacnejšia a ľahšia výroba je dôvodom, prečo sa ich vývoju v súčasnosti venuje veľa úsilia Cieľom je nielen vývoj, ale predovšetkým výroba nízkonákladových a vysoko účinných solárnych článkov. Jednou z perspektívnych ciest je využitie nanotechnológií.
Fotovoltaické články DSSC sú podobné ako tradičné elektrochemické články. Ich základným konštrukčným prvkom sú vysoko porézne elektródy s obrovskou špecifickou plochou povrchu - rádovo 100 m2g-1, ich póry majú priemer okolo 20 m. Elektródy sú vyrobené z nanokryštálov oxidu titaničitého (TiO2) s tenučkou vrstvou farebných molekúl na povrchu. Keď sú tieto molekuly osvetlené, zachytia fotóny a vygenerujú elektróny a diery. Voľné elektróny sa okamžite (behom 100 fs) dostávajú do TiO2 a sú prenesené na elektródu. Regenerácia farebných molekúl je sprevádzaná zachytením elektrónov z kvapalného elektrolytu, ktorý úplne vyplňuje medzery v poréznej TiO2 elektróde a je spojený s elektródou opačnej polarity.
Účinnosť fotovoltaického článku závisí od účinnosti zachytávania fotónov, ktoré vytvárajú páry elektrón-diera a ďalej od transportu elektrónov. Nanokryštály sú rozhodujúce na vytváranie nanoporéznych elektród s žiadúcou povrchovou plochou na pohlcovanie svetla farebnými molekulami. Čím väčší je ich povrch, tým viac je na ňom pohlcujúcich molekúl. Vďaka tomu môže byť zachytený väčší počet fotónov, čo má za následok vytvorenie väčšieho množstva párov elektrón-diera. Pretože vzdialenosť na ktorú voľný elektrón dôjde je iba 10 m, vzrastajúca hrúbka nanoporéznej elektródy účinnosť článku nezlepší. Primiešanie ďalších submikrónových častíc môže účinne zväčšiť „putovnú" vzdialenosť fotónu vo vnútri elektródy vďaka rozptylu svetla, a tak zvýšiť šancu na zachytenie fotónu. Na druhej strane však začlenenie ďalších veľkých častíc vedie ku zníženiu plochy povrchu, čo sa prejaví v menšom množstve farebných molekúl zachytávajúcich fotóny. V dôsledku toho je zvýšená účinnosť, ktorú prináša rozptyl svetla, znižovaná menším počtom farebných molekúl a výsledná účinnosť článku sa tak nezvyšuje.
Oxid titaničitý (TiO2) a oxid zinočnatý (ZnO) sú polovodiče podobných vlastností s rovnakou elektrónovou štruktúrou. Vďaka ich vlastnostiam sa používajú pri výrobe poréznych fotoelektród pre DSSC. Oxid titaničitý je chemicky stabilnejší, preto sa častejšie využíva častejšie. Oxid zinočnatý má však vyššiu elektrónovú mobilitu, vďaka čomu sa ľahšie a lacnejšie vyrába.
Nedávno bol vyrobený DSSC s poréznymi elektródami z mikrónových zhlukov nanokryštálov ZnO a nanotyčiniek TiO2 (podobný drobnému „popcornu"), ktorý má výrazne zvýšenú účinnosť. Nanokryštály ZnO a nanotyčinky TiO2 zaisťujú dostupnosť požadovanej vysokej špecifickej plochy povrchu na pohlcovanie svetla farebnými molekulami, pričom mikrónové zhluky slúžia ako svetelný rozptyľovač bez obetovania špecifickej plochy povrchu. Rozptýlenie vedie ku zvýšeniu PCE z 2,4 percenta pri bežných poréznych elektródach, vyrobených z rozptýlených kryštálov ZnO s využitím červených N3 (ruthenium 535) farieb, na 5,4 percenta pri elektródach vyrobených zo zhlukov nanokryštálov ZnO (pri inak identickej konfigurácii).
Účinnosť 6,2 percenta bola dosiahnutá modifikáciou povrchovej chémie a jej zvýšenie na 9,9 umožnilo využitie zhluknutých nanotyčiniek TiO2 a fotoelektród tmavo purpurovej farby - N719 (ruthenium 535-bis-tetrabutylamonium ). Účinnosť 9,9 percenta je však ešte stále nižšia ako evidovaný „rekord" 11 percent pri TiO2 DSSC článkoch. Zatiaľ v „popcornovom" fotovoltaickom článku nebola použitá žiadna bežne používaná modifikácia alebo stupňujúca procedúra (antireflexný pokryv, adhézna vrstva a ošetrenie chloridom titaničitým), ktorá by mohla zvýšiť PCE až na 10 percent. Ďalšou optimalizáciou zhluknutého fotoelektródového filmu a jeho skombinovaním so škálou bežných ošetrení by sa mohlo dosiahnuť očakávané PCE, prekračujúce súčasné 11 percentné maximum účinnosti farbocitlivých fotovoltaických článkov.
Zdroj: SPIE (Guozhong Cao: Popcorn-style dye-sensitized solar cells)
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax