Grafeenile harjaste lisamine võib olla võti odavate päikeseelementide efektiivsuse suurendamiseks.
USA keemikud on välja töötanud uudse grafeenipõhise värvaine, mis käitub kui fotoelektronide allikas, muutes selle kasutuskõlblikuks värvitundlikes päikeseelementides(dye-sensitive solar cell ehk DSSC), odavaks alternatiiviks ränist elementidele.
Värvitundlikud päikeseelemendid kasutavad footonitest energia ammutamiseks valgustundlikke lahuseid titaaniumdioksiidiga kaetud alusetel. Valgus ergastab värvaines olevaid elektrone ning need kõrge energiaga elektronid toodavadki elektrit.
Molekulis asuvate elektronide tavapärase energiataseme ning selle taseme, kuhu nad ergastatult ‘hüppavad,’ vahet nimetatakse keelutsooniks. Energiat keelutsoonis mõõdetakse elektronvoltides(eV) ning tavaliste päikeseelementide jaoks on selle optimaalseks väärtuseks 1,4eV, selgitas Liang-shi Li Indiana Ülikoolist Bloomingtonis.
Selline energia on infrapunafootonitel ning sellise keelutsooniga molekul neelab footoneid sellisel energial ning kõrgemate energiate juures, st. molekul neelab elektri tootmiseks enamuse nähtavast valgusest.
,,Grafeeni kasutades oleme saavutanud just selle optimaalse väärtuse,” sõnas Li. Seda seetõttu, et grafeenipõhises värvaines on kerge elektronide keelutsooni reguleerida varieerides kasutatavate grafeeniosakeste suurust.
Ideaalse 1,4eV saavutamiseks peavad grafeenitükid värvaines olema umbes 2-nanomeetrise läbimõõduga. Siiani on olnud probleemiks fakt, et sellise suurusega tükid kipuvad omavahel kokku kleepuma, moodustades seeläbi lahustumatu grafiidi. Süsinik peab püsima lahustuva grafeeni kujul, et sellest üldse päikeseelementides kasu oleks ning moodustuks värvaine.
Harjastega pind
Li keidis koos kolleegidega, et kokkukleepumist saab ära hoida kinnitades iga grafeenitüki külge molekulaarsed harjakesed. Iga harjas sisaldab kolmest süsinikust ahelat, mis kinnitub kesksele fenüülrõngale, mis sidestub keemiliselt süsiniku aatomitega grafeenitüki äärtel. Vaba ruumi puudus grafeeni ümber surub need harjased pinnalt eemale, mis omakorda hoiab ära grafeentükkide omavahelise kokkukleepumise grafiidiks.
Kuigi fenüülrühmad on grafeeniga keemiliselt sidestatud, ei mõjuta need grafeeni keelutsooni suurust. Samuti ei takista need grafeenil lahustuda tavalises orgaanilises lahustis, näiteks tolueenis. Kui titaaniumdioksiidiga kaetud juhtiv plaat torgatakse lahusesse, kleepub grafeen titaaniumdioksiidi külge ja tekibki värvitundlik päikeseelement.
,,Siiani on meie parim grafeenipõhine element 2-protsendilise efektiivsusega, mis on kuuendik parimate DSSC-de efektiivsusest,” täpsustas Li.
Efektiivsuse suunas
Craig Grimes’il Pennsylvania Osariigi Ülikoolist on aga teine idee. Tema arvates on värvitundlike päikeseelementide jaoks pliisulfiidi nanoosakesed grafeenist palju paremad kandidaadid. Eksperimentaalsed pliisulfiid-päikeseelemendid on praegu kaks korda efektiivsemad kui grafeenipõhised katsetused.
Üheks põhjuseks on asjaolu, et grafeen ei taha voolu kandmiseks hästi titaaniumdioksiidile kleepuda. Protsessi efektiivselt toimumiseks peab iga grafeentüki harjas omama karboksüülrühma, seletas Grimes.
Li nõustus sellega ning lisas, et karboksüülrühmade lisamine on vajalik järgmine samm. Tema arvates on see võimalik ning selle tulemusena saaks grafeen pliisulfiidist paremini hakkama. ,,Lisaks on plii keskkonnale ohtlik, süsinik aga mitte,” meenutas ta.
Allikas:
Artikkel lehel newscientist.com: http://www.newscientist.com/article/dn18778-carbon-flakes-brush-up-for-cheap-solar-cells.html
Lisaks:
Teadusartikkel: