Ciekłe kryształy stabilizują ogniwa słoneczne

Ogniwo słoneczne uczulane barwnikiem (DSCs) może być prototypem niedrogich i łatwych w produkcji fotoogniw. Te dotychczas stosowane mają bowiem poważną wadę: nie działają zbyt dobrze w wysokich temperaturach, co jest problemem w przypadku urządzenia przeznaczonego do absorpcji światła słonecznego. Obecnie grupa naukowców wprowadza do ogniw ciekłe kryształy, by działały w temperaturze nawet do 120˚C.

DSCs, znane także jako ogniwa Grätzel, składają się z anody i katody rozdzielonej przez elektrolit. Anoda przenosi cząsteczki dwutlenku tytanu pokryte barwnikiem, które absorbują światło słoneczne i oddają elektrony. W elektrolicie znajdują się jony jodu transportujące elektrony z katody z powrotem na anodę, wytwarzając w ten sposób potencjał elektryczny.

W pierwszych DSC elektrolit składał się z organicznego rozpuszczalnika zawierającego jony jodkowe. Niestety, płyn miał tendencje do wyciekania i odparowywania w wysokich temperaturach. Nowsze DSC używają stałych elektrolitów, takich jak polimery, ale urządzenia te nie do końca skutecznie przekształcają światło słoneczne w energię. Ciecze jonowe, charakteryzujące się wysokim przewodnictwem i słabą lotnością być może sprawdzą się jako elektrolity w wysokich temperaturach.

Takashi Kato i jego współpracownicy z Uniwersytetu w Tokio postanowili stworzyć bardziej stabilny elektrolit poprzez połączenie cieczy jonowej na bazie jodu z cząsteczkami węglanów, które formują się w ciekłe kryształy. Ciekłe kryształy samoorganizują się w warstwową nanostrukturę, co pozwala na zaprojektowanie kanałów w elektrolicie, dzięki którym jony są skuteczniej transportowane. W przeciwieństwie do ciekłych kryształów wykorzystywanych np. w ekranach komputerowych, te nie przemieszczają się w odpowiedzi na zastosowane napięcie elektryczne. Połączenie tych elektrolitów jest opłacalne, ponieważ ciekłe kryształy pozostają stabilne w wysokiej temperaturze.

W temperaturze 90˚C, ogniwa słoneczne przekształcają 2,7% zebranego światła w energię elektryczną. Standardowe ogniwa uczulone barwnikiem przekształcają 11-12% w temperaturze pokojowej, lecz ich wydajność spada powyżej 50˚C. Międzynarodowe standardy wymagają by ogniwa były testowane w 85˚C. Kato ma nadzieję na zwiększenie efektywności swoich ogniw do 8-10%.

Naukowcy planują eksperymenty z różnymi kombinacjami materiałów w elektrolicie, aby spróbować zwiększyć wydajność. Kato mówi, że powinno być możliwe spolimeryzowanie elektrolitu po zorganizowaniu się struktury krystalicznej. Taki elektrolit w stanie stałym nigdy nie ma problemu z wyciekaniem. Pozwoli to na konstruowanie bardziej elastycznych ogniw słonecznych.

Erik Spoerke z Sandia National Laboratories mówi, że ogniwo prawdopodobnie nie będzie mogło długotrwale działać w temperaturze 120˚C, ale „stabilność w tak wysokich temperaturach oznacza, że urządzenia będą mniej podatne na uszkodzenia i degradację elektrolitu w typowej dla nich temperaturze pracy.”

Edwin C. Constable, chemik ze szwajcarskiego Uniwersytetu Bazylejskiego, uważa, że opracowany przez naukowców elektrolit „otwiera nowe możliwości do poprawy wydajności DSCs.” Catherine E. Housecroft, także z Bazylei mówi: „wykorzystanie ciekłych kryształów jako macierzy do transportu jonów jest naprawdę ekscytującym rozwiązaniem, które powinno cieszyć się szerokim zainteresowaniem, jeżeli chodzi o badania nad DSC.”