Molekularni krawcy uszyli nanośnieżynki dla wydajniejszych ogniw słonecznych

Badania prowadzone były pod kierunkiem dr. Przemysława Gawła z Instytutu Chemii Organicznej PAN. Pierwszym autorem badań – opublikowanych w prestiżowym Angewandte Chemie – jest dr Maciej Majdecki z IChO PAN. To fotograf-hobbysta, który na swoich cieszących się dużym uznaniem profilach internetowych (luminescent_chemist) prezentuje piękno reakcji chemicznych i związków fluorescencyjnych. Naukowiec zwykle – dzięki niezwykłemu oświetleniu UV – pokazuje, jak piękna może być praca chemika. Na fotografiach uwiecznił również swoje badania nad związkami, które mogą usprawnić funkcjonowanie paneli słonecznych.

NIE NAJMOCNIEJSZE OGNIWO

„Na razie maksymalna teoretyczna wydajność ogniw fotowoltaicznych dochodzić może do 33 proc.” – informuje w rozmowie z PAP dr Maciej Majdecki. Tak więc co trzeci foton, który trafia do ogniwa słonecznego, prowadzi do uwolnienia elektronu (to stąd bierze się prąd). Niestety, sporo fotonów zaś uderzających w panel zmienianych jest w ciepło, z którego w panelach się nie korzysta, i które wręcz zmniejsza ich sprawność i trwałość. Energia słoneczna w znacznej większości nie jest zagospodarowana. Szkoda!

FOTON I DWA ELEKTRONY

Nadzieją na zwiększenie wydajności ogniw jest skorzystanie w nich z procesów, które sprawniej będą zamieniać światło w elektryczność. Do nich należy tzw. rozszczepienie singletowe (ang. singlet fission). W procesie tym, jeśli w daną strukturę uderzy jeden foton, jest ona w stanie wyprodukować aż dwa elektrony. „A to oznacza, że wydajność tego procesu to aż 200 proc.” – tłumaczy dr Majdecki.

Zaletą rozszczepienia singletowego jest możliwość zastosowania go w obecnie szeroko stosowanych panelach opartych na krzemie. Proces ten zachodziłby w jednej z wielu warstw krzemowego ogniwa. „Badania pokazują, że można byłoby dzięki temu podnieść maksymalną wydajność ogniw nawet do 45 proc. Jest o co walczyć” – podsumowuje dr Majdecki.

Naukowiec dodaje, że to dość nowy temat badań. Na razie do reakcji rozszczepienia singletowego wykorzystywano chętnie cząsteczki pewnego związku organicznego – pentacenu (można go znaleźć w smole, tworzy go pięć połączonych ze sobą liniowo pierścieni węglowych – cząsteczek benzenu).

„Pentacen świetnie nadaje się do rozszczepiania singletowego, ale niestety energia elektronów, które tam powstają, jest niedostosowana do poziomów energetycznych półprzewodników krzemowych – bazowego elementu ogniw. Naukowcy szukają więc innych cząsteczek, które lepiej współgrałyby z krzemem” – komentuje dr Majdecki.

TETRACEN ZA BEZCEN

Badania zespołu dr Gawła z IChO PAN dotyczą tetracenu. To „mniejszy kuzyn” pentacenu – węglowodór składający się z czterech pierścieni benzenu. Ten związek (niedrogi do uzyskania, pomarańczowy proszek) spisuje się o tyle lepiej, że porcje energii w nim uwalniane świetnie współgrają z właściwościami krzemu.

„Nasza publikacja pokazuje, że z tego związku, którego pojedyncza cząsteczka nie przeprowadza rozszczepienia singletowego, można osiągnąć maksimum w przetwarzaniu światła na energię. Trzeba jednak do tego wykorzystać precyzyjne krawiectwo molekularne i przygotować z tego związku oligomer o odpowiedniej strukturze”.

Oligomer to struktura mniejsza niż polimer – cząsteczka złożona z kilku (najwyżej sześciu) fragmentów – monomerów.

GWIEZDNE MOCE

Chemicy na bazie „molekularnej miseczki” układali monomery tetracenu w nanośnieżynki. Dzięki właściwemu ustawieniu cząsteczek w oligomerze można było stopniowo podnieść wydajność rozszczepienia singletowego w tetracenie z ok. 50 do 200 proc.

Jeśli więc “dwuramienna” śnieżynka tetracenu potrzebowała dwóch fotonów, aby uzyskać jeden elektron, to sześcioramienna śnieżynka przy wykorzystaniu jednego fotonu była już w stanie uwolnić dwa elektrony (o energii kompatybilnej z krzemem), a więc najwięcej, ile się da. Procesy zachodzące w kolejnych ramionach oligomeru sprzęgały się bowiem i wzajemnie wzmacniały.

Co ciekawe, w nanośnieżynce cząsteczki tetracenu są rozdzielone. Centralny rdzeń utrzymuje je w prawdzie w bliskiej odległości, ale nie są bezpośrednio połączone.

Metodami i związkami, które chemicy użyli do uszycia węglowodorowych śnieżynek, interesują już naukowców, którzy pracują nad innymi zjawiskami zwiększającymi wydajności fotowoltaiki.

DROBNE ALE…

Wydajność singlet fission i porcje energii uzyskane w tetracenowych gwiazdkach są więc świetne, a proces produkcji nanośnieżynek mógłby być tani. Problemem jest jednak jeszcze stabilność tetracenu, bo niestety światło działa na ten związek w sposób destrukcyjny. Dr Majdecki wspomina, że tetracenowych nanośnieżynek na zdjęciach nie próbował nawet uwieczniać, bo pod wpływem światła UV szybko się psują.

A niszczenie pod wpływem światła przecież nie jest pożądana właściwość w materiałach, które będą stale wystawione na działanie słońca. “Walczymy jednak o to, żeby ten problem obejść i żeby uzyskać związek stabilny” – komentuje dr Majdecki.

Problemem jest też to, że na razie właściwości tetracenowych gwiazd zbadano – bo to prostsze – jedynie w roztworze. Są jednak przesłanki, że w ciele stałym właściwości te będą o wiele lepsze niż w roztworze. Tego jednak zespół z IChO PAN nie jest w stanie zbadać – potrzebny jest kolejny zespół, który pomysł chemików przetestuje w prototypowym urządzeniu.

“A z tym często jest u nas problem. Projektujemy i wytwarzamy cząsteczki o naprawdę niezwykłych właściwościach, ale potem polski przemysł nie interesuje się wynikami naszych prac i prace te nie znajdują zastosowania” – wzdycha dr Majdecki.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/