Molekularni krawcy uszyli nanośnieżynki dla wydajniejszych ogniw słonecznych

Fot: Maciej Majdecki, luminescent_chemist
Fot: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

Kiedy ustawi się cząsteczki pewnego związku - tetracenu - w kształt nanośnieżynki, z maksymalną wydajnością zachodzi tam tzw. rozszczepienie singletowe - proces, który umożliwia pozyskanie z jednego fotonu aż dwóch elektronów - pokazują polscy i tajwańscy naukowcy. I liczą na to, że ich badania pomogą poprawić wydajność paneli 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.

Źródło: dr Maciej Majdecki
Fot: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

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.

Źródło: dr Maciej Majdecki
Fot: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

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.

Źródło: dr Maciej Majdecki
Fot: Maciej Majdecki, luminescent_chemist

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/

Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.

Czytaj także

  • Źródło: Wydział Fizyki UW

    Studenci Wydziału Fizyki UW laureatami stypendiów SPIE

  • Fot. materiały prasowe Sieć Badawcza Łukasiewicz

    Lekki absorber - materiał na zderzaki i fotele lotnicze

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

newsletter

Zapraszamy do zapisania się do naszego newslettera