Energia elektryczna

z naszych lekcji
Energia elektryczna
zkwiatów – ogniwa fotowoltaiczne
wykorzystujce naturalne barwniki
Katarzyna Siuzdak
Wstp
Od momentu odkrycia efektu fotowoltaicznego przez
Aleksandra Becquerela prowadzone s intensywne
badania w obszarze ogniw fotowoltaicznych po to, aby
uzyska jak najwysz wydajno konwersji wiata sonecznego na energi elektryczn. Najczciej badania
te dotycz wykorzystania coraz to nowych materiaów.
Obok popularnego krzemu pojawi si tellurek kadmu,
selenek miedzi iindu czy arsenek galu. Jednak tak naprawd efekt fotowoltaiczny zosta „odkryty” iwykorzystany ponad 2,8 mld lat temu przez bakterie fotosyntezujce – prekursory rolin. Co ciekawe, fotosynteza nie
bya uznawana za podstaw rozwoju ogniw sonecznych
a do lat 90. ubiegego wieku, czyli ponad 160 lat po odkryciu efektu fotowoltaicznego przez Becquerela.
W 1991 roku Michael Grätzel i Brian O’Regan [1]
opracowali now technologi wytwarzania ogniw sonecznych, których dziaanie imituje wanie mechanizm fotosyntezy. Nowe ogniwa soneczne nazwano
barwnikowymi ogniwami fotowoltaicznymi (DSSC,
ang. dye-sensitized solar cells). Ciesz si one coraz
wikszym zainteresowaniem ze wzgldu na ich potencja w niskokosztowej konwersji wiata sonecznego
na energi elektryczn. W porównaniu z ogniwami
krzemowymi barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane s ztaszych materiaów, bezpiecznych dla
rodowiska naturalnego, a ich czysto nie musi by
tak wysoka jak wprzypadku krzemu. Obecnie rekord
wydajnoci tego typu ogniw to 13% [2], a szacowany
na podstawie bada stabilnoci czas ycia w warunkach eksploatacyjnych wynosi 10 lat. Jednake biorc
pod uwag wydajno, barwnikowe ogniwa soneczne
niestety nie mog równa si ztradycyjnymi ogniwami krzemowymi, ale ich zalety zachcaj do rozpowszechnienia tych ogniw na rynku. Nale do nich:
zmniejsza ilo CO2 wytwarzanego podczas produkcji;
zmoliwo zmiany koloru i stopnia przezroczystoci ogniwa w zalenoci od zastosowanego barwnika, warstwy tlenkowej, co umoliwia projektowanie
urzdze;
zprodukcja odbywa si prost technik sitodruku;
Rys. 1. Budowa barwnikowego ogniwa sonecznego
zkrótszy czas zwrotu energii z panelu DSSC (0,3
roku) wporównaniu zinnymi typami ogniw (scSi –
2,2 roku, CdTe – 0,7 roku) [3].
Budowa izasada dziaania ogniwa barwnikowego
Barwnikowe ogniwo fotowoltaiczne skada si znastpujcych czci: fotoanody (zbudowanej znanokrystalicznego, póprzewodzcego tlenku metalu uczulonego barwnikiem), pary redoksowej jodek/trójjodek
(rozpuszczonej w odpowiednim medium stanowicym
elektrolit) oraz katody (jest ni materia katalizujcy
reakcj redoksow). Schemat budowy barwnikowego
ogniwa fotowoltaicznego przedstawiono na rys. 1. Sercem caego ukadu jest wanie fotoanoda, któr stanowi porowata warstwa tlenkowa zbudowana zczsteczek
orozmiarach nanometrycznych, naniesiona na póprzewodzce ipóprzezroczyste podoe. Jako podoe stosuje si tlenek indu domieszkowany fluorem (FTO).
Z kolei najczciej wykorzystywanym materiaem
tlenkowym jest ditlenek tytanu. Oprócz popularnego
TiO2 wykorzystuje si równie tlenek cynku, wanadu czy niobu. Na powierzchni tlenku zaadsorbowany
jest barwnik, który jest odpowiedzialny za efektywne
pochanianie promieniowania sonecznego z zakresu
widzialnego. Molekuy barwnika s trwale zamocowane na powierzchni warstwy tlenku przez utworzenie
Fizyka w Szkole 1/2014
29