Ηλιακά κύτταρα αρκετά εύκαμπτα ώστε να βάφονται με αυτά οι επιφάνειες

Από σελίδα του UniSci, 29 Μαρτίου 2002

Στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Μπέρκλεϋ, χημικοί έχει βρεί έναν τρόπο να κάνουν φθηνά πλαστικά ηλιακά κύτταρα αρκετά εύκαμπτα ώστε να χρωματίζονται επάνω σε οποιαδήποτε επιφάνεια και ενδεχομένως ικανά να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια για τα φορητά ηλεκτρονικά ή άλλες χαμηλής ισχύος συσκευές.

Τα πρώτα ακατέργαστα ηλιακά κύτταρα της ομάδας έχουν επιτύχει αποδοτικότητες 1.7 τοις εκατό, πολύ λιγότερο από ό,τι τα σημερινά στάνταρτ εμπορικά φωτοβολταϊκά, αποδοτικότητας 10 τοις εκατό . Τα καλύτερα ηλιακά κύτταρα, που είναι πολύ ακριβά φύλλα πλαστικών ημιαγωγών, μετατρέπουν, το πολύ-πολύ, 35 τοις εκατό της ενέργειας του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια.

"Η αποδοτικότητά μας δεν είναι αρκετά καλή, περίπου 10 φορές πιό κάτω, αλλά αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο," λέει ο Α. Paul Alivisatos (Παύλος Αλιβιζάτος), καθηγητής της χημείας στο UC Μπέρκλευ και ένα μέλος του Επιστημονικού Τμήματος Υλικών του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence του Μπέρκλεϋ. "Υπάρχει ένας αρκετά σαφής δρόμος για μας που τον παίρνουμε, για να το κάνουμε να αποδώσει πολύ καλύτερα."

Ο Αλιβιζάτος και οι ομο-συντάκτες, ο μεταπτυχιακός σπουδαστή Wendy U. Huynh και ο μεταδιδακτορικός Janke Dittmer, εκθέτουν την ανάπτυξή τους στο περιοδικό Science.

"Η ομορφιά αυτού του υλικού, είναι ότι θα μπορούσατε να βάλετε τα ηλιακά κύτταρα άμεσα στο πλαστικό, το οποίο έχει απεριόριστη ευελιξία," λέει ο Dittmer. "Αυτό ανοίγει όλα τα είδη των νέων εφαρμογών, όπως π.χ. την τοποθέτηση ηλιακών κυττάρων στα ρούχα για να τροφοδοτήσουν LEDs, ραδιόφωνα ή μικρούς επεξεργαστές υπολογιστών."

Το ηλιακό κύτταρο που έχουν δημιουργήσει είναι πραγματικά ένα υβρίδιο, που αποτελείται από μικροσκοπικούς νανοράβδους που διασκορπίζονται μέσα σε ένα οργανικό πολυμερές σώμα ή ένα πλαστικό. Ένα στρώμα μόνο 200 νανομέτρα πάχος ανάμεσα σε ηλεκτρόδια, και μπορεί να παραγάγει, αυτή τη στιγμή, περίπου 0,7 βολτ. Τα στρώματα των ηλεκτροδίων και νανοράβδων/πολυμερών στρωμάτων θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε χωριστά καλύμματα, καθιστώντας την παραγωγή ηλεκτρισμού αρκετά εύκολη. Και αντίθετα από τους σημερινούς ημιαγωγούς -βασισμένους στις φωτοβολταϊκές συσκευές, τα πλαστικά ηλιακά κύτταρα μπορούν να κατασκευαστούν σε ένα διάλυμα μέσα σε ένα δοχείο,   χωρίς την ανάγκη για καθαρά δωμάτια ή αίθουσες με κενό αέρα.

"Τα σημερινά υψηλής απόδοσης ηλιακά κύτταρα απαιτούν πολύ περίπλοκη επεξεργασία μέσα σε ένα καθαρό δωμάτιο και σύνθετη εφαρμοσμένη μηχανική για να κάνουν τα σάντουιτς των ημιαγωγών," λέει ο Αλιβιζάτος. "Και επειδή ψήνονται μέσα σε μια αίθουσα χωρίς αέρα, πρέπει να γίνουν σχετικά μικρά."

Η διαδικασία της ομάδας αυτής για τα υβριδικά πλαστικά ηλιακά κύτταρα δεν περιλαμβάνει κανένα από αυτά.

"Χρησιμοποιούμε μια πολύ πιό 'ακάθαρτη' διαδικασία που το καθιστά φτηνό,"΄λέει ο Huynh.

Η τεχνολογία εκμεταλλεύεται τις πρόσφατες προόδους στη νανοτεχνολογία, συγκεκριμένα τη παραγωγή των νανοκρυστάλων και νανοράβδων που έχουν ανακαλυφθεί από τον Αλιβιζάτο και τους εργαστηριακούς συναδέλφους του. Αυτοί είναι χημικά καθαροί τομείς από 100 έως 100.000 άτομα με διαστάσεις σε τάξη του ενός nanometer, ή δισεκατομυριοστού του ενός μέτρου. Λόγω του μικρού μεγέθους τους, αυτά εμφανίζουν ασυνήθιστες και ενδιαφέρουσες ιδιότητες που κυβερνώνται από την κβαντομηχανική, όπως η απορρόφηση των διαφορετικών χρωμάτων του φωτός ανάλογα με το μέγεθός τους.

Ήταν μόνο δύο έτη πριν, που μια ομάδα του Μπέρκλευ που καθοδηγήθηκε από τον Αλιβιζάτο, βρήκε έναν τρόπο για να κάνει νανοράβδους ενός αξιόπιστου μεγέθους από σεληνίδιο καδμίου, ένα ημιαγωγικό υλικό. Τα συμβατικά ηλιακά κύτταρα ημιαγωγών αποτελούνται από το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο ή, στην περίπτωση των υψηλότερης αποδοτικότητας κυττάρων, το κρυστάλλο αρσενίδιο γαλλίου.

Οι Huynh και Dittmer κατασκεύασαν νανοράβδους σε ένα δοχείο που περιέχει σεληνίδιο καδμίου, στοχεύοντας στην κατασκευή ράβδων διαμέτρου της τάξεως των 7 νανομέτρων -- για να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερο φως του ήλιου. Στόχευαν επίσης για νανοράβδους μήκους  -- σε αυτήν την περίπτωση, 60 νανομέτρων. Ανάμιξαν έπειτα τους νανοράβδους με έναν πλαστικό ημιαγωγό, που αποκαλείται P3HT - πολυ (3-hexylthiophene) -- και έντυσαν ένα διαφανές ηλεκτρόδιο με το μίγμα. Το πάχος, 200 νανόμετρα -- ένα χιλιοστό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας -- είναι κατά ένα παράγοντα 10 φορές λιγότερο από το μικρό -πάχος των   ημιαγωγών ηλιακών κυττάρων. Ένα επίστρωμα αργιλίου που ενεργεί ως πίσω ηλεκτρόδιο ολοκλήρωσε τη συσκευή.

Οι νανοράβδοι ενεργούν όπως τα καλώδια. Όταν απορροφούν το φως ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος, παράγουν ένα ηλεκτρόνιο συν μια οπή ηλεκτρονίων -- ένα κενό στον κρύσταλλο που κινείται τριγύρω, ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο ταξιδεύει κατά μήκος της ράβδου έως ότου συλλέγεται από το ηλεκτρόδιο του αργιλίου. Η οπή μεταφέρεται στο πλαστικό, το οποίο είναι γνωστό ως μεταφορέας-οπών , και μεταβιβάζεται στο ηλεκτρόδιο, δημιουργώντας έτσι ένα ρεύμα.

Το P3HT και οι παρόμοιοι πλαστικοί ημιαγωγοί είναι αυτήν την περίοδο ένας καυτός τομέας της έρευνας στην τεχνολογία των ηλιακών κυττάρων, αλλά μόνα τους αυτά τα πλαστικά θα είναι τυχερά για να επιτύχουν αποδοτικότητες αρκετών τοις εκατό, στη μετατροπή του φωτός .

"Όλα τα ηλιακά κύτταρα που χρησιμοποιούν τους πλαστικούς ημιαγωγούς έχουν κολλήσει σε αποδοτικότητα δύο τοις εκατό, αλλά είμαστε στην αρχή της έρευνάς μας," λέει ο Huynh. "Σκέφτομαι ότι μπορούμε να κάνουμε πολύ καλύτερα πράγματα από τα πλαστικά ηλεκτρονικά."

"Το πλεονέκτημα των υβριδικών υλικών που αποτελούνται από ανόργανους ημιαγωγούς και οργανικά πολυμερή σώματα είναι ότι ενδεχομένως παίρνουν ό,τι καλύτερο και των δύο κόσμων," προσθέτει ο Dittmer. "Οι ανόργανοι ημιαγωγοί προσφέρουν άριστες, καθιερωμένες ηλεκτρονικές ιδιότητες και ταιριάζουν πολύ καλά ως υλικά ηλιακών κυττάρων. Τα πολυμερή σώματα προσφέρουν το πλεονέκτημα της επεξεργασίας διαλύματος στη θερμοκρασία δωματίου, που είναι φτηνότερη και επιτρέπει τη χρησιμοποίηση των πλήρως εύκαμπτων υποστρωμάτων, όπως τα πλαστικά."

Ο επισκέπτης επιστήμονας Keith Barnham, καθηγητής της φυσικής στο Αυτοκρατορικό Κολλέγιο του Λονδίνου, και ένας εμπειρογνώμονας στα υψηλής απόδοσης ηλιακά κύτταρα, συμφώνησε ότι είναι μια πολύ φθηνή τεχνολογία, που μπορεί να έχει απόδοση και 10%. Επίσης να συλλέγεται καλύτερα το φως όπως ήδη συμβαίνει στα εμπορικά φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα.

Αλλά ο Αλιβιζάτος και οι συνάδελφοί του ελπίζουν να κάνουν σημαντικές βελτιώσεις στο μίγμα πλαστικού/νανοράβδων, επίσης, συσκευάζοντας ιδανικά τις νανοράβδους πιό κοντά, κάθετα στα ηλεκτρόδια, χρησιμοποιώντας ελάχιστο πολυμερές σώμα, ή ακόμα και κανένα -- οι νανοράβδοι θα μετέφεραν τα ηλεκτρόνιά τους αμεσότερα στο ηλεκτρόδιο. Στα πρώτης γενιάς ηλιακά κύτταρά τους, οι νανοράβδοι αναμιγνύονται πάνω στο πολυμερές σώμα, που βέβαια οδηγεί σε απώλειες ρεύματος μέσω του επανασυνδυασμού ηλεκτρονίου-οπών και έτσι σε χαμηλότερη αποδοτικότητα.

Ελπίζουν επίσης να συντονίσουν τις νανοράβδους για να απορροφήσουν διαφορετικά χρώματα για να εκταθούν σε όλο το φάσμα του φωτός του ήλιου. Ένα ενδεχόμενο ηλιακό κύτταρο μπορεί να έχει τρία στρώματα, κάθε ένα φιαγμένο από νανοράβδους που απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος.

"Για αυτό για να έχει πραγματικά διαδεδομένη χρήση, θα πρέπει να ανεβάσουμε την απόδοση περίπου σε 10 τοις εκατό," λέει ο Αλιβιζάτος. "Αλλά σκεφτόμαστε ότι είναι πολύ πραγματοποιήσιμο."

Η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας και το τμήμα ενέργειας.