Αυτοκαθαριζόμενη Ε &Α στο DST-IIEST Solar PV HUB στο Shibpur, Howrah, 711-103, Ινδία
Με τις διαρκώς αυξανόμενες τεχνολογικές εξελίξεις για τη μόχλευση της ηλιακής ενέργειας στη σύγχρονη εποχή, η διατήρηση της βέλτιστης απόδοσης τέτοιων ενεργειακών συσκευών όπως τα ηλιακά πάνελ για εφαρμογές φωτοβολταϊκών και τα κάτοπτρα που χρησιμοποιούνται στο CSP (παραγωγή ηλιακής θερμικής ενέργειας) έχει γίνει σημαντικό ζήτημα. Υπό πραγματικές συνθήκες, η αποτελεσματική απόδοση τέτοιων ηλιακών συλλεκτών μπορεί να μειωθεί σημαντικά λόγω της εναπόθεσης σωματιδίων και οργανικών ρύπων στα ηλιακά γυάλινα καλύμματα, καθώς τα βρώμικα ηλιακά πάνελ δεν παράγουν τόση ισχύ όσο τα καθαρά φωτοβολταϊκά πάνελ.
Η ρύπανση της σκόνης έχει εξαιρετικά επιζήμια επίδραση στα φωτοβολταϊκά πάνελ και ποικίλλει ανάλογα με την περιοχή και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Σε περιοχές με ξηρές και λιγοστές βροχοπτώσεις, όπως η Σαουδική Αραβία, η απώλεια στην απόδοση των ηλιακών φωτοβολταϊκών πάνελ μπορεί να κυμαίνεται έως και 26-40%, και η μετάδοση γυάλινου καλύμματος σε φωτοβολταϊκά πάνελ μειώνεται στο 70% λόγω της σκόνης το καλοκαίρι. Ως αποτέλεσμα, οι αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες έχουν τραβήξει την προσοχή σε όλο τον κόσμο τόσο στις επιστημονικές ερευνητικές κοινότητες όσο και στον τομέα των εμπορικών εφαρμογών όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, τα κτίρια, καθώς και οι οπτικές, βιοϊατρικές και οικιακές συσκευές.
Η πιο πρακτική λύση αυτού του προβλήματος είναι η εφαρμογή αυτοκαθαριζόμενων επιστρώσεων με βάση την ικανότητά τους να κάνουν τις επιφάνειες είτε υδρόφοβες, υδρόφιλες ή φωτοκαταλυτικές. Προκειμένου να καταστούν τέτοιες επικαλύψεις συμβατές για χρήση σε ηλιακούς συλλέκτες για μεγάλη διάρκεια, οι επικαλύψεις έχουν σχεδιαστεί ώστε να έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες που είναι θεμελιωδώς σημαντικές, όπως σημαντική οπτική διαφάνεια (92% ή περισσότερο), επαρκή αντοχή σε τριβή/γρατσουνιές και επιθυμητή γωνία επαφής.
Αυτοκαθαριζόμενες επιστρώσεις που παρουσιάζουν είτε υπερυδρόφιλη είτε υπερυδρόφοβη συμπεριφορά χρησιμοποιούνται στο εμπόριο για βιομηχανίες φωτοβολταϊκών μονάδων σε όλο τον κόσμο. Πρέπει να σημειωθεί ότι τόσο η υδρόφοβη όσο και η υδρόφιλη επίστρωση έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις, οι αυτοκαθαριζόμενες υπερ-υδρόφιλες επικαλύψεις έχουν βρεθεί ότι υπερτερούν των υπερυδρόφοβων επικαλύψεων τόσο στο εργαστήριο όσο και στο βιομηχανικό περιβάλλον. Παρόλα αυτά, πολλές συνταγές για ανθεκτικές υπερυδρόφοβες επικαλύψεις έχουν επίσης αναπτυχθεί, κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και αδειοδοτηθεί.
Οι επικαλύψεις με φωτοκαταλυτικές ιδιότητες απορροφούν το φως (UV-Vis) που με τη σειρά του προκαλεί τη βρωμιά ή άλλα ξένα σωματίδια στην επιφάνεια να χαλαρώνουν αργά ή να διασπώνται μέσω οξείδωσης. Επίσης, λόγω της υπερ-υδροφιλικότητας του, το νερό διαρρέει κάτω από ρύπανση και το απομακρύνει από την επιφάνεια λόγω της σχεδιασμένης κλίσης στη ρύθμιση των φωτοβολταϊκών πάνελ.
Το μεγαλύτερο μέρος της υπερ-υδρόφιλης επικάλυψης βρέθηκε ότι αποτελείται από TiO2, έναν φωτοκαταλύτη ικανό να διασπά οργανικούς ρύπους όταν εκτίθεται στο φως. Οι λεπτές μεμβράνες TiO2 είναι ευρέως γνωστές για την εξαιρετική φωτοκαταλυτική τους δράση, τη σημαντική μηχανική σκληρότητα και το φως που προκαλεί υπερ-υδροφιλικότητα. Ωστόσο, λόγω του μεγάλου κενού ενεργειακής ζώνης του TiO2, αποτυγχάνει να απορροφήσει το ορατό φως, με αποτέλεσμα η εφαρμογή του να περιορίζεται στην περιοχή UV της ηλιακής ακτινοβολίας.
Η πρώτη μας εργασία περιλαμβάνει επιστρώσεις V-TiO2:SiO2, που παρουσιάζουν ταυτόχρονα αντιανακλαστικές, αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες («δηλαδή υπερ-υδροφιλικότητα) και φωτοκαταλυτική δραστηριότητα υπό ακτινοβολία ορατού φωτός [1]. Επίσης, σε αυτή την περίπτωση, έχει αποδειχθεί η επίδραση του πλάσματος Ο2 στην αλλαγή της ιδιότητας διαβροχής τέτοιων επικαλύψεων. Κατά την επεξεργασία πλάσματος O2, η γωνία επαφής όλων των σκευασμάτων επικάλυψης που έχουν διερευνηθεί σε αυτή τη μελέτη μειώνεται σε 0°, ανεξάρτητα από τη σύνθεσή τους.
Σε ένα από τα έργα Ε&Α μας, έχουμε αναπτύξει μια μοναδική τεχνική για τη δημιουργία πορωδών λεπτών μεμβρανών TiO2 με μια κολλοειδή συστοιχία υψηλής τάξης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αυτοσυναρμολόγησης που προκαλείται από την εξάτμιση (EISA). Η μέθοδος που υιοθετήσαμε χρησιμοποιεί το υψηλού μοριακού βάρους τριπλό συμπολυμερές Pluronic F127 σε συνδυασμό με sol TiO2 για να αναπτύξει επίστρωση λεπτής μεμβράνης TiO2 σε γυάλινο υπόστρωμα με τη βοήθεια της τεχνικής εμβάπτισης. Η λεπτομερής πειραματική διαδικασία και τα ευρήματα βρίσκονται σε μια πρόσφατη δημοσίευσή μας [2]. Τα αρχικά αποτελέσματα αυτής της εργασίας έχουν επίσης παρουσιαστεί σε διεθνές συνέδριο [3].
Με την πρόοδο της μαλακής νανοτεχνολογίας, ο σχηματισμός μιας ποικιλίας νανοδομών και οι τεράστιες επιπτώσεις της στη δημιουργία υλικών με νέες μηχανικές, οπτικές ή ηλεκτρονικές ιδιότητες καθώς και με ειδική λειτουργικότητα πολλαπλασιάστηκαν τις τελευταίες δεκαετίες. Η μαλακή νανοτεχνολογία ενσωματώνει μαλακά υλικά με βάση το πολυμερές και σκληρό ανόργανο υλικό χρησιμοποιώντας μια μοναδική τεχνική μοριακής αυτοσυναρμολόγησης για τη δημιουργία επιφανειών με κανονικό σχέδιο χωρίς τη χρήση εξελιγμένης λιθογραφικής τεχνικής. Η τεχνική της κολλοειδούς αυτοσυναρμολόγησης για τη δημιουργία μιας επιφάνειας με μοτίβο ανόργανων οξειδίων μετάλλων όπως το SiO2 και το TiO2 βρήκε ευρεία εφαρμογή στον τομέα των οπτικών φίλτρων, των φωτονικών κρυστάλλων, της νανοδομημένης αντιανακλαστικής επίστρωσης και πολλών άλλων πολλών άλλων συσκευών με βάση το πυρίτιο. P>
Προκειμένου να καταστήσουμε το TiO2 φωτοενεργό στην ορατή περιοχή του ηλιακού φάσματος, εμποτίσαμε TiO2 με άτομα Ν χρησιμοποιώντας μια τεχνική υποβοηθούμενη από πλάσμα σε ένα τροποποιημένο σύστημα εκτόξευσης ραδιοσυχνοτήτων (13,56 MHz) χρησιμοποιώντας αέριο N2 εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας ως πρόδρομο θερμοκρασία δωματίου. Η θεραπεία με πλάσμα για 2,50 λεπτά στα 55 W με δυναμικό αυτοπροκατάληψης 485 V έχει αποδειχθεί η καλύτερη βελτιστοποιημένη κατάσταση. Η επεξεργασία πλάσματος Ν μείωσε την ενέργεια του κενού ζώνης των μεμβρανών TiO2 σε 2,94 eV από 3,0 eV επεκτείνοντας τη φωτοκαταλυτική δραστηριότητα στα 421,7 nm του ηλιακού φάσματος. Η λεπτομερής σχηματική απεικόνιση της δραστηριότητας αυτοκαθαρισμού της πορώδους επίστρωσης TiO2 με πρόσμιξη N ενός συστατικού έχει δοθεί στο περιοδικό, που απεικονίζεται στο Σχήμα 1.
Η αυτοκαθαριζόμενη δραστηριότητα των επικαλύψεων με N ντοπαρισμένο TiO2 διερευνάται μελετώντας τη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση του MB στην επιφάνεια της επικάλυψης παρουσία ηλιακού φωτός. Επίσης, οι επικαλύψεις βρέθηκαν να είναι υπερυδρόφιλες με γωνία επαφής με το νερό <5°. Η μετάδοση της επικάλυψης πάνω από γυάλινες πλάκες από ανθρακικό ασβέστη βρέθηκε να είναι> 94% στην ορατή περιοχή του ηλιακού φάσματος. Έτσι οι πορώδεις επικαλύψεις TiO2 ενισχύουν τη μετάδοση του γυμνού γυάλινου υποστρώματος κατά περίπου 4%. Για τη διερεύνηση του λόγου πίσω από μια τέτοια συμπεριφορά των επικαλύψεων πραγματοποιήθηκε φασματοσκοπική μελέτη ελλειψομετρίας και ανακλαστικότητας ακτίνων Χ. Ένα σημαντικό πορώδες ~ 80% επιβεβαιώθηκε και από τις δύο αυτές μελέτες. Ο δείκτης διάθλασης που λήφθηκε βρέθηκε επίσης να είναι συγκριτικά χαμηλή τιμή (1,3) σε σύγκριση με τις λεπτές μεμβράνες TiO2 που αναφέρονται στη δημοσιευμένη βιβλιογραφία.
Για την επικύρωση της πραγματικής εφαρμογής μιας τέτοιας επίστρωσης σε εξωτερική εφαρμογή, οι μηχανικές ιδιότητες τέτοιων επικαλύψεων πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή σκληρότητας μολυβιού και την τεχνική νανοχαρακτηρισμού και των δύο. Οι επικαλύψεις βρέθηκαν να είναι στιβαρές με μικροσκληρότητα ~ 2,02 GPa. Επίσης, χρησιμοποιώντας τον ελεγκτή σκληρότητας μολυβιού, προκύπτει τιμή σκληρότητας μεγαλύτερη από 3Η, η οποία απαιτείται για πρακτικές εφαρμογές. Περαιτέρω, για να ελεγχθεί η αντοχή πρόσφυσης των επικαλύψεων, το επικαλυμμένο με πυρίτιο γυάλινο υπόστρωμα διατηρήθηκε σε 5% αλατούχο νερό και βράστηκε για πάνω από 60 λεπτά. Δεδομένου ότι δεν παρατηρήθηκε ξεφλούδισμα/αποκόλληση ή αλλαγή στις τιμές οπτικής μετάδοσης ή επαφής πριν και μετά την εκτέλεση τέτοιων πειραμάτων, μπορεί να ειπωθεί ότι η επίστρωση μπορεί να διατηρήσει το εξωτερικό περιβάλλον. Με τη ρύθμιση της σύνθεσης κολλοειδούς διαλύματος, της ταχύτητας απόσυρσης κατά τη διάρκεια της επικάλυψης εμβάπτισης και της θερμικής επεξεργασίας μετά την εναπόθεση κ.λπ., κατέστη δυνατή η επίτευξη τιμής σκληρότητας άνω των 5 ωρών διατηρώντας τη διαφάνεια περίπου 92%.
Τέλος, αντιανακλαστικές επιστρώσεις με βάση Sol-gel με συντονιζόμενη διαβρεξιμότητα για φωτοβολταϊκά ηλιακά γυάλινα καλύμματα, τα οποία σε ορισμένες περιπτώσεις παρουσιάζουν υπερυδρόφοβη συμπεριφορά έχουν επίσης πειραματιστεί από την ομάδα μας (Εικόνα 2). Ένα μονοσυστατικό μικτό κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου, που παρασκευάστηκε με ποικίλη σύνθεση προδρόμου πυριτικού άλατος, καταλύτη και λειτουργικοποίησης σιλανίου παρασκευάστηκε και επικαλύφθηκε σε γυάλινα υποστρώματα. Η ταχύτητα απόσυρσης της βαφής επίστρωσης έχει βελτιστοποιηθεί προσεκτικά. Μια επίστρωση λεπτής μεμβράνης ORMOSIL (οργανικά τροποποιημένο πυριτικό) μονής στρώσης έχει παρασκευαστεί σε γυάλινο υπόστρωμα που μπορεί να εφαρμοστεί ως αυτοκαθαριζόμενη επίστρωση σε ηλιακά γυάλινα καλύμματα.
Στο CEGESS-IIEST, η ανάπτυξη ηλεκτροδυναμικών οθονών για ηλιακούς συλλέκτες, που θα χρησιμοποιηθούν σε τοποθεσίες όπου υπάρχει πολύ χαμηλή υγρασία στην ατμόσφαιρα και δεν επιδιώκεται επίσης άμεσα διαθέσιμος υδάτινος πόρος.
Αναφορές:
- Adak, D., et al., Self-cleaning V-TiO2:SiO2 thin-film επιστρώσεις με βελτιωμένη μετάδοση για ηλιακό γυαλί και συναφείς εφαρμογές. Ηλιακή Ενέργεια, 2017. 155:Σελ. 410-418.
- Adak, D., et al., αυτοσυναρμολογούμενη και επεξεργασμένη με πλάσμα αυτοκαθαριζόμενη διαφανής επίστρωση για φωτοβολταϊκά στοιχεία και άλλες συσκευές ηλιακής ενέργειας που κατευθύνεται χωρίς λιθογραφικό μπλοκ. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2018. 188:Σελ. 127-139.
- Adak,D. ,Προφορική παρουσίαση στο 17ο Διεθνές Συνέδριο για Λεπτές Μεμβράνες (ICTF-2017) στο CSIR- National Physical Laboratory, Νέο Δελχί, με τίτλο “Non lithographic block copolymer directed patterning of transparent TiO2 Films for self-cleaning coatings on solar glass covers.”
