Idea

Grafen umożliwi ogniwom słonecznym pozyskanie energii elektrycznej z deszczu



Technologie konwersji energii słonecznej na energię elektryczną cały czas się rozwijają. Kolejnym przełomem w ich rozwoju może się okazać odkrycie chińskich naukowców z Ocean University of China (Qingdao) and Yunnan Normal University (Kunming), którym dzięki pokryciu ogniwa słonecznego DSSC cienką warstwą grafenu udało się pozyskać energię elektryczną z deszczu.

Ogniwa fotochemiczne (Dye Sensitized Solar Cells – DSSC) stanowią rodzaj ogniw słonecznych opierających się o zasady procesu fotosyntezy zachodzącego w roślinach. Ogniwo to, za pomocą syntetycznych barwników zastępujących chlorofil znajdujący się w roślinach, przekształca energię słoneczną w elektryczną. Strukturę liścia zastąpiono  nanostrukturą. Pobudzenie półprzewodnika odbywa się pomiędzy światłoczułą anodą, a elektrolitem, który znajduje się pomiędzy barwnikiem a drugą powierzchnią przewodzącą prąd elektryczny. Ogniowa te są proste w konstrukcji, a ich produkcja nie kosztuje wiele, łatwo je też się produkuje. Zalety tego systemu są powodem ciągłego zainteresowania wielkich światowych koncernów, które chciałyby wytwarzać niezbędną energię niewielkim kosztem. Wadą tych ogniw jest bardzo niska na chwilę obecną sprawność, na poziomie 4 do 8 % oraz, pomimo niskiej ceny większości elementów tych ogniw, konieczność zastosowania drogiej platyny.

Ulepszenie miałoby stanowić pokrycie takiego ogniwa cienką powłoką z grafenu. Grafen jest to dwuwymiarowa struktura złożona z atomów węgla, kształtem przypominająca plaster miodu. Grafen jest przedmiotem zainteresowania przemysłu ze względu na różne właściwości, w tym elektryczne i mechaniczne. Opis teoretyczny grafenu powstał w 1947, jednak twierdzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie. Na początku lat 80 ubiegłego wieku pojawiały się artykuły wskazujące, że grafen można wytworzyć, a przełom nastąpił w 2004 roku, kiedy pokazano, że wytworzony przez grafen ma unikatowe własności, które zostały przewidziane wcześniej. Po tych publikacjach nastąpiło gwałtowne przyspieszenie prac nad grafenem – zarówno pod kątem czysto badawczym, jak i w poszukiwaniu coraz lepszych metod wytwarzania tego materiału.

Grafen charakteryzują niezwykłe właściwości – jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła oraz elektryczności, a także posiada dużą ilość elektronów o bardzo wysokiej ruchliwości w obrębie całej warstwy i znacznej prędkości przepływu, wynoszącej 1/300 prędkości światła. W wodnych roztworach grafen może połączyć dodatnio naładowane jony z ich elektronami.

Właściwości te zainspirowały chińskich naukowców do użycia grafenowych elektrod do uzyskiwania energii pochodzącej od deszczu. Krople deszczu nie są czystą wodą, lecz zawierają sole, które rozdzielają się na kationy i aniony. Dodatnio naładowane jony, w tym jony sodu, wapnia i amonu, mogą połączyć się z grafenową powierzchnią.  W momencie kontaktu kropli deszczu i grafenu, woda zostaje wzbogacona w dodanie jony a grafen w przemieszczone elektrony. W wyniku tego zjawiska powstaje podwójna warstwa stworzona z elektronów i kationów, czyli pseudo kondensator. Różnica w potencjale związanym z tym zjawiskiem jest wystarczająca do wyprodukowania napięcia i prądu.

Naukowcy, tym razem z Michigan Technological University pracują też nad zastąpieniem drogiej platyny w ogniwach DSSC grafenem 3D o strukturze plastra miodu. Wykorzystując tą technologię udało się zespołowi pod kierownictwem prof. Yun Hang Hu uzyskać sprawność pozyskania energii elektrycznej na poziomie 7,8%. Katalityczne zdolności grafenu 3D otwierają również przed nim potencjał możliwości w zakresie przechowywania energii.

Opracowano na podstawie:http://phys.org/ oraz Angewandte Chemie International Edition