Zlatni „sendvič“ za veću akumulaciju Sunčeve energije
Inovacija na području fotonaponskih ćelija
Tijekom posljednja dva desetljeća, fotonaponske ćelije za pretvaranje energije Sunčeve svjetlosti izravno u električnu energiju šire se diljem svijeta. Japanski znanstvenici najavljuju novi oblik fotonaponskih ploča u obliku tzv. zlatnih „sendviča“ s učinkovitošću i do 11 puta većom od uobičajene opreme prisutne na tržištu.
Potreba za učinkovitijom pretvorbom svjetlosne energije
Danas je većina svjetskih fotonaponskih ćelija izrađena od silicija, koji kao drugi najčešći element na Zemljinoj površini ima prednost da je dostupan u dovoljnim količinama i ne utječe na promjene okoliša. Upotreba takvih ćelija sadrži određena ograničenja, budući da samo svjetlost određenih valnih duljina može izbaciti elektrone i potaknuti električni tok. Usprkos tome, vide se kao jedan od najboljih načina za ograničavanje globalnog zatopljenja, smanjujući ljudsko gospodarsko opterećenje fosilnim gorivima.
Međutim, nastojanje za ostvarivanjem održivog društva dovodi do sve veće potražnje za razvijanjem revolucionarnih solarnih ćelija koje iskorištavaju energiju vidljivog dijela spektra Sunčeva zračenja, koristeći pritom što manje materijala. U potrazi za navedenim, japanski znanstvenici razvili su fotonaponsku ćeliju koja može sakupljati 85 posto vidljive svjetlosti u tankom sloju poluvodiča debljine 30 nanometara između slojeva zlata, pretvarajući tako svjetlosnu energiju 11 puta učinkovitije od prethodnih metoda.
Znanstveni tim predvođen profesorom Hiroaki Misawaom s Instituta za elektroniku na Sveučilištu Hokkaido, nastojao je razviti fotoelektrode koje mogu sakupljati vidljivu svjetlost preko širokog spektralnog raspona upotrebom zlatnih nanočestica nanesenih na površine poluvodiča. No samo nanošenje sloja zlatnih nanočestica nije apsorbiralo dovoljnu količinu svjetlosti, budući da se u eksperimentima koristila svjetlost uskog spektralnog raspona.
Međutim, u studiji objavljenoj u znanstvenom časopisu Nature Nanotechnology, istraživački tim je postavio poluvodič u obliku 30 nanometara tankog filma titanijeva dioksida (TiO2) između zlatnog filma debljine 100 nanometara i zlatnih nanočestica kako bi se poboljšala apsorpcija svjetlosti. Pri ozračivanju sustava svjetlošću sa zlatne strane nanočestice, zlatni film je djelovao kao zrcalo, uhvativši svjetlost u šupljini između dva zlatna sloja, pomažući pritom nanočesticama u apsorpciji više svjetlosti. Na njihovo iznenađenje, fotoelektrodom je bilo sakupljeno više od 85 posto širokog raspona spektra vidljive svjetlosti, što je daleko učinkovitije od prethodnih metoda.
Istraživački tim sa Sveučilišta Hokkaido – slijeva nadesno: Quan Sun, Hiroaki Misawa, Xu Shi, Kosei Ueno i Tomoya Oshikiri / Fotografija: www.global.hokudai.ac.jp
Višestruka korist
Poznato je da zlatne nanočestice pokazuju fenomen pojave lokaliziranih površinskih plazmona na svojoj površini. Površinski plazmoni kolektivna su pobuđenja vodljivih elektrona izazvana rezonantnom apsorpcijom te raspršenjem elektromagnetskog zračenja, a mogu se između ostaloga iskoristiti za pojačanje i manipulaciju svjetlosnih signala.
„Naša fotoelektroda uspješno je stvorila novo stanje u kojem plazmon i vidljiva svjetlost zarobljeni u tankom sloju titanijevog dioksida snažno djeluju, dopuštajući zlatnim česticama apsorpciju svjetlosti sa širokim rasponom valnih duljina“, objasnio je Hiroaki Misawa.
Kada nanočestice zlata apsorbiraju svjetlost, slobodni elektroni u metalu dobiju dodatnu energiju koja ih pobuđuje i prenosi poluvodiču. Povećana učinkovitost također je dovela do pojačanog cijepanja vode: pobuđeni elektroni vodljive vrpce poluvodiča reduciraju vodikove ione na vodik, dok zaostale šupljine u valentnoj vrpci oksidiraju vodu kako bi se proizveo kisik, što je obećavajući postupak za dobivanje čiste energije.
„Korištenjem vrlo malih količina materijala, ova fotoelektroda omogućuje učinkovitu pretvorbu Sunčeve svjetlosti u obnovljivu energiju, što dodatno pridonosi ostvarenju održivog društva“, zaključili su istraživači.
Klara Perović / Ekovjesnik