Сеж на барвниках
Екологічна чистота енергетичних технологій є надзвичайно важливим питанням, що обумовлює підвищену увагу до відновних джерел енергії, зокрема сонячної. Енергія сонця в сучасному світі використовується для різних цілей, одна з них - це вироблення електричної енергії. Використання сонячної електрики має багато переваг. Це чистий, тихий і надійний джерело енергії, що відкриває сонячній енергетиці величезний потенціал і широкі перспективи, на сьогодні лише менше одного відсотка виробленої у світі електроенергії має «сонячне» походження. При використанні сонячних батарей енергія сонця безпосередньо перетворюється в електричну (фотоелектричний ефект).
Вперше фотоелектричні батареї були використані в космосі на супутниках. Сьогодні сонячні батареї широко використовуються у віддалених районах, де немає централізованого електропостачання, для електропостачання окремих будинків, для підйому води і охолодження ліків. Ці системи часто використовують акумуляторні батареї для зберігання виробленої днем електроенергії. Крім того, калькулятори, телекомунікаційні системи, буї та т.д. працюють від сонячної електрики. Інша область застосування - це електропостачання будинків, офісів та інших будівель або генерація електрики для мереж централізованого електропостачання. Співробітники лабораторії Центру Матеріалознавства та Університету Дрекселя розробили нову технологію виробництва тонкоплівкових сонячних елементів із застосуванням ТіО2, на базі яких можна робити істотно більш ємкі і дешеві сонячні батареї для використання на масовому ринку.
Принцип такий батареї вперше був запропонований в 1991 році професором Федеральної політехнічної школи Лозанни М. Гретцель (Michael Graetzel), на ім'я якого вони і отримали назву осередків Гретцеля. Батареї такого типу мають досить просту структуру, вони складаються з двох електродів, електроліту і органічного барвника в якості фотосенсибілізатора. Один з електродів складається з нанопористого насиченого барвником напівпровідника - діоксиду титану (TiO2), нанесеного на прозору електропровідну підкладку. Іншим електродом є прозора електропровідна підкладка, або тонкий прозорий шар платини. На сьогодні застосовуються такі напівпровідники як TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5. Оксидна плівка нанокристалічною складу покривається шаром органічного барвника, що розширює область поглинання (від УФ до ГИК променів) і дозволяє захопити до 70-90% фотонів сонячного випромінювання. Здатність діоксиду титану поглинати ультрафіолет, викидаючи електрони, лежить в основі таких цікавих речей, як лампочка проти запахів, що самоочищається одяг, самомоющіеся вікна і самоочищається бетон.
TiO2 - діоксид титану (двоокис титану) - Titanium dioxide - один з найважливіших неорганічних сполук, споживаних сучасною промисловістю, його унікальні властивості визначають рівень технічного прогресу в різних секторах світової економіки. Перевагами застосування діоксиду титану для виготовлення сонячних батарей, в порівнянні з іншими матеріалами, є хімічна стійкість, нетоксичність, біосумісність і невисока вартість. Його особливістю є значна фотоактивності, а також яскраво виражена залежність електричних властивостей від морфології поверхні і типу кристалічної складу. У природі діоксид титану кристалізується в трьох формах: анатаз, рутил і Брук, які є ширококутного напівпровідниками. Завдяки поєднанню електричних та оптичних властивостей, для виготовлення фотоелектричних сонячних батарей найбільший інтерес представляє саме анатаз.Дослідні зразки сонячних батарей, виготовлені із застосуванням наноматеріалів і технологій в Центрі матеріалознавства і Університе Дрекселя, розроблялися з вихідної сировини і матеріалів власного виробництва.
Оскільки сенсибілізовані барвниками сонячні елементи, як перспективний альтернативне джерело електроенергії, є економічно вигідним способом перетворення енергії сонця і потенційної заміною класичних сонячних батарей, спільні роботи співробітників Центру матеріалознавства і Університету Дрекселя над отриманням і застосуванням нових матеріалів, дослідженням їх властивостей, а також підвищенням ефективності цветосенсібілізірованних фотоелементів успішно тривають.
Фотоелектричні панелі на основі сенсибілізованих фарбників при масовому виробництві можуть бути помітно дешевше кремнієвих. Але кремнієві поки явно ефективніше. Скоротити це відставання вдалося групі європейських вчених. Фахівці з лабораторії фотоніки та інтерфейсів (LPI) під керівництвом професора Міхаеля Гретцеля (Michael Grätzel), розвиваючи свої попередні дослідження, побудували крихітну сонячну батарею з ККД в 12,3%.
Число це здається невеликим, але воно є рекордом для осередків на основі сенсибілізованих фарбників. Попереднє досягнення в цьому класі (10,6%) було показано в квітні 2011 із застосуванням ряду нових ідей. Типовий ККД осередків даного типу лежить в районі 8%.
Щоб підвищити планку, хіміки замінили стандартні компоненти фарбника - рутеній і йод - на порфірин і кобальт, повідомляє PhysOrg.com. Цей набір речовин дозволив швейцарцям збільшити поглинання світла, поліпшити електронний обмін в товщі панелі і підняти напругу, що розвивається під сонячними променями.
Винахід Гретцеля і його колег відкриває можливий шлях для заміни кремнієвих панелей в багатьох додатках. Тим більше що до теоретичного максимуму для сенсибілізованих панелей (а це цілих 30%) ще далеко.