Solid Advance για φθηνά ηλιακά κύτταρα
Η τιμή των ηλιακών κυψελών ολισθαίνει προς τα κάτω εδώ και δεκαετίες. Τώρα αυτή η τάση θα μπορούσε να ωθήσει από μια βελτίωση σε μια ηλιακή τεχνολογία άνω των 20 ετών που αιχμαλωτίζει το φως με μόρια βαφής, μια προσέγγιση που δεν κατάφερε ποτέ να πιάσει.
Η πρόοδος είναι «μία από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις στα κύτταρα βαφής τα τελευταία αρκετά χρόνια», λέει ο Thomas Mallouk, χημικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, University Park, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Το ογδόντα τοις εκατό της αγοράς για ηλιακά κύτταρα καταλαμβάνεται από κυψέλες κατασκευασμένες από γκοφρέτες κρυσταλλικού πυριτίου, οι οποίες μετατρέπουν περίπου το 20% της ενέργειας του εισερχόμενου ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Το μεγαλύτερο μέρος της υπόλοιπης αγοράς αποτελείται από κυψέλες "λεπτής μεμβράνης" κατασκευασμένες από διαφορετικά ημιαγώγιμα κράματα που μπορεί να είναι φθηνότερα στην παραγωγή αλλά απαιτούν τοξικά ή σπάνια στοιχεία.
Μια τρίτη κατηγορία ηλιακών κυψελών, που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά το 1991 από ερευνητές στην Ελβετία, είναι τα φθηνότερα στην κατασκευή και είναι περισσότερο από 12% αποδοτικά. Αυτά τα κύτταρα, γνωστά ως ευαισθητοποιημένα με βαφή ηλιακά κύτταρα (DSSCs), αποτελούνται από εκατομμύρια νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου σφιχτά συσκευασμένα, το καθένα επικαλυμμένο από ένα μόνο στρώμα μορίων βαφής. Ο συνδυασμός διοξειδίου του τιτανίου-χρωστικής ουσίας στη συνέχεια λούζεται σε ένα ηλεκτρικά αγώγιμο υγρό που περιέχει κινητά ιόντα που ονομάζονται ηλεκτρολύτης.
Όταν τα φωτόνια του φωτός χτυπούν αυτά τα κύτταρα, ενεργοποιούν τα ηλεκτρόνια της χρωστικής. Αυτά τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια πηδούν αμέσως στα σωματίδια του διοξειδίου του τιτανίου και στη συνέχεια σε ένα ηλεκτρόδιο, όπου εισέρχονται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα για να παρέχουν ισχύ. Αυτό αφήνει κενά ηλεκτρονίων στα μόρια της χρωστικής, τα οποία γεμίζουν από ηλεκτρόνια με μικρότερη ενέργεια από τον ηλεκτρολύτη, τα οποία με τη σειρά τους αναπληρώνονται από ηλεκτρόνια από ένα αντίθετο ηλεκτρόδιο.
Οι συμβατικοί υγροί ηλεκτρολύτες είναι καλοί στο να δίνουν τα ηλεκτρόνια τους στη βαφή, αλλά τα υγρά έχουν άλλα προβλήματα. Συχνά διαρρέουν από τις συσκευές και συνήθως περιέχουν ενώσεις που διαβρώνουν τα μεταλλικά ηλεκτρόδια. Για να ξεπεράσουν αυτές τις δυσκολίες, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει στερεούς ηλεκτρολύτες που δεν διαρρέουν ή καταστρέφουν άλλα εξαρτήματα. Δυστυχώς, αυτά τα υλικά τείνουν να είναι κακοί ηλεκτρικοί αγωγοί, ένας περιορισμός που έχει διατηρήσει την απόδοσή τους στο απαράμιλλο 6%.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Northwestern στο Έβανστον του Ιλινόις, σκέφτηκαν ότι θα μπορούσαν να τα καταφέρουν καλύτερα. Ο χημικός Μερκούρη Κανατζίδης γνώριζε ότι οι επιστήμονες στην IBM και αλλού ανέπτυξαν καλούς στερεούς ηλεκτρικούς ημιαγωγούς εδώ και χρόνια. Έτσι συνεργάστηκε με τον βορειοδυτικό συνάδελφο Robert P. H. Chang, έναν επιστήμονα υλικών, για να δοκιμάσει μία από αυτές τις ενώσεις, ένα μείγμα καισίου, κασσίτερου και ιωδίου με ακίδες φθορίου. Διέλυσαν την ένωση σε έναν οργανικό διαλύτη και την έριξαν πάνω από τα επικαλυμμένα με βαφή σωματίδια διοξειδίου του τιτανίου σε ένα DSSC. Στη συνέχεια αφήνουν τον διαλύτη να εξατμιστεί, επιτρέποντας στον συνδυασμό καισίου-κασσιτέρου-ιωδίου να κρυσταλλωθεί. Όπως αναφέρουν οι ερευνητές στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature , η απόδοση της συσκευής τους ήταν πάνω από 10%, συχνά θεωρείται ως ελάχιστο σημείο αναφοράς για την εμπορική επιτυχία.
Ο Mallouk προειδοποιεί ότι η νέα εργασία δεν είναι πιθανό να μεταμορφώσει την αγορά για ηλιακά κύτταρα εν μία νυκτί. Αλλά τα νέα στερεά κύτταρα βαφής είναι ένα είδος υβριδίου μεταξύ συμβατικών ηλιακών κυψελών και κυψελών υγρής βαφής. Και αυτό, λέει, θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για την κατασκευή ηλιακών συσκευών που είναι φθηνές, αποτελεσματικές και ανθεκτικές.
