Obojene nanočestice povećavaju iskorištenje solarnih ćelija
Osim vidljive svjetlosti, solarne ćelije iskorištavat će i infracrvenu svjetlost
Istraživači iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkely razvili su način koji će omogućiti solarnim ćelijama veće iskorištenje svjetlosnog spektra. Nanočestice premazane organskim bojama u mogućnosti su pretvoriti svjetlost valnih duljina bliskih infracrvenoj svjetlosti u vidljivu svjetlost i time omogućiti solarnim ćelijama crpljenje veće količine energije nego što su dosad bile u mogućnosti iskoristiti.
Veće iskorištavanje svjetlosnog spektra
Kako bismo iskoristili što više Sunčeve energije potrebno je poboljšati iskorištenje dosadašnjih solarnih ćelija. Trenutno se u većini tehnologija apsorbira samo vidljivi spektar svjetlosti, pritom ostatak spektra ostaje neiskorišten. Zato su istraživači iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkely razvili način pomoću kojeg bi solarne ćelije bile u mogućnosti iskoristiti veći dio spektra – korištenjem nanočestica prekrivenih posebnim organskim bojama koje pretvaraju elektromagnetsko zračenje valne duljine bliske infracrvenoj svjetlosti u vidljivu svjetlost.
Nanočestice s lantanidima
Nanočestice koje imaju sposobost pretvaranja svjetlosti niže energije u svjetlost više energije, tj. pretvaranja svjetlosti većih valnih duljina (infracrvena svjetlost) u svjetlost manjih valnih duljina (vidljiva svjetlost), u sebi sadrže metalne ione lantanida poput iterbija i erbija. Iterbij apsorbira foton valne duljine bliske infracrvenom zračenju te ga predaje erbiju. Kada taj erbij primi još jedan foton te iste valne duljine, on otpušta jedan foton, ali vidljive zelene svjetlosti. Premazivanjem takvih čestica posebnim bojama povećalo je njihovu funkciju, ali razlog zašto se to dogodilo trebalo je tek otkriti.
„Dogodilo se to da su se boje gotovo istog trena po izlaganju svjetlosti razgradile, a nitko nije znao na koji točno način boje stupaju u interakciju s nanočesticama“, izjavio je Emory Chan, jedan od glavnih autora studije.
Lantanidi pospješuju prelaženje boja u stanje tripleta
Sada znanstvenici iz laboratorija Berkely tvrde da su shvatili taj mehanizam te to znanje koriste kako bi unaprijedili sustav. Istraživački je tim otkrio da lantanidi u česticama uzrokuju prijelaz boja u stanje tripleta u kojemu mogu spojiti više fotona infracrvene svjetlosti (niže energije) u samo jedan foton vidljive svjetlosti (više energije). To omogućuje efikasnije prenošenje energije lantanidima.
„Boje se ponašaju kao molekulski koncentratori svjetlosti, prenoseći energiju fotona infracrvene svjetlosti na nanočestice“, kaže P. James Schuck, jedan od glavnih autora studije.
Način na koji funkcioniraju nanočestice postao je jasan potpunim poklapanjem izmjerene emisije svjetlosti boja i apsorpcije svjetlosti nanočestica – energija koju je emitirala boja bila je u potpunosti jednaka energiji koju su apsorbirale nanočestice.
Boje u stanju tripleta efikasnije prenose energiju lantanidima
Temeljem ovog opažanja istraživači su dizajnirali nove nanočestice kako bi bolje iskoristili efekt tripleta. Nakon što su povećali koncentraciju lantanida u česticama s 22 % na 52 %, obojene nanočestice emitirale su svjetlost 33.000 puta jaču i 100 puta efektivniju nego što bi ju emitirale da nisu premazane bojom.
Nažalost, najveća mana sustava je velika nestabilnost boja, a za izvođenje ovih eksperimenata istraživači su ih morali držati u dušičnom okruženju. Buduća istraživanja fokusirat će se na razvijanje zaštitnih premaza za nanočestice.
Postavljanje sloja nanočestica na već postojeće solarne ćelije
Nakon što se riješe tih poteškoća, istraživači tvrde da bi se ove čestice mogle koristiti za izradu solarnih ćelija koje će iskorištavati veći raspon spektra svjetlosti. Sloj nanočestica, s obzirom da je proziran za vidljivu svjetlost, može se postaviti preko standardnih solarnih ćelija.
„Organske boje koje koristimo mogu zarobiti široki spektar svjetlosti valne duljine bliske infracrvenoj svjetlosti“, rekao je koautor studije Bruce Cohen. „Kako se svjetlost valne duljine bliske infracrvenoj često ne iskorištava u solarnoj tehnologiji, čiji je fokus vidljiva svjetlost, iskorištavanjem nanočestica obloženih bojom, koje efektivno pretvaraju svjetlost blisku infracrvenoj u vidljivu svjetlost, i njihovim integriranjem u postojeće solarne tehnologije, povećava se mogućnost iskorištavanja većeg dijela solarnog spektra, koji inače propada.“
Ovakve nanočestice se mogu koristiti i u optogenetičkim sustavima za biološko oslikavanje.
Istraživanje je objavljeno na Nature Photonics.
Anamarija Beljan / Ekovjesnik