Ogniwa słoneczne na bazie kwiatów, czyli co nowe technologie czerpią z przyrody?

Zmiany klimatyczne wręcz wymuszają, by skupić uwagę na nowych technologiach pozwalających nam efektywnie wykorzystać odnawialne źródła energii tak, aby osiągnąć cel UE, czyli wprowadzenie niskoemisyjnej gospodarki do 2050 roku. Ogniwa krzemowe czy turbiny wiatrowe to już powszechnie stosowane rozwiązania, ale ich możliwości instalacji czy zaspokajania zapotrzebowania na energię są ograniczone. Ogniwa krzemowe są sztywne i nieprzezroczyste, a instalacja turbin wiatrowych wymaga odpowiedniej lokalizacji zgodnie z przepisami ustawy.

Jeśli chodzi o rynek ogniw fotowoltaicznych, to obserwujemy obecnie dynamiczny rozwój technologii na bazie perowskitów oraz kropek kwantowych. Komercjalizacją tego typu ogniw zajmują się takie koncerny jak Toshiba z Japonii, Oxford PV z Wielkiej Brytanii, Hunt Perovskite Technologies ze Stanów Zjednoczonych, a na naszym rynku w tym obszarze działa Saule i ML System.

Już nie są to sztywne i nietransparentne urządzenia, tylko elastyczne i półprzezroczyste ogniwa. Mogą stać się elementem konstrukcyjnym budynku, np. stanowić przeszklenie, które nie tylko ładnie wygląda, ale do tego generuje prąd. Wcale też nie muszą być zamontowane na dachu pod odpowiednim kątem względem promieni słonecznych, ale również mogą działać wewnątrz wykorzystując światło rozproszone. Zazwyczaj ogniwa nowszych generacji wymagają wieloetapowej syntezy nowych związków organicznych o dość skomplikowanej strukturze, by w efekcie otrzymać niewielką ilość substancji, która znakomicie pochłania promieniowanie słoneczne.

Związki barwne dobrze absorbujące światło słoneczne mają zastosowanie w jeszcze innym rodzaju ogniw, jakimi są tzw. barwikowe ogniwa słoneczne (ang. dye sensitized solar cells, DSSC). Ich kolor zależy od rodzaju użytego barwnika i to on jest odpowiedzialny za pochłanianie promieniowania słonecznego. Technologia ogniw, w których szczególną rolę odgrywają substancje barwne została opracowana w 1991 r. przez zespół Gratzela ze Szwajcarii i z początkowej wydajności na poziomie zaledwie kilku %, ogniwa DSSC osiągnęły już 14,2% [1]. Produkcja ogniw barwnikowych jest prowadzona przez takie firmy jak 3GSolar, Photovoltaics, Dyesol, Exeger Sweden, Fujikura czy G24 Power. Te urządzenia tworzą niezwykłą fasadę Centrum Konferencyjnego w Lozannie. Do jej budowy użyto 1400 ogniw o różnych kolorach: czerwonym, zielonym i pomarańczowym, a gdy padają na nią promienie słoneczne, to we wnętrzu budynku na podłodze powstaje mozaika cieni.

Możliwość ich produkcji w formie cienkich i lekkich elastycznych modułów zdecydowanie zwiększa różnorodność zastosowań [2]. Sercem takiego układu jest fotoelektroda z zaadsorbowanymi molekułami barwnika. Najczęściej są to barwniki na bazie rutenu. Chociaż sam ruten nie jest uznawany za toksyczny, to już jego niektóre związki są lotne i toksyczne [3].

Niestety, ograniczona ilość tego pierwiastka powoduje zwiększenie kosztu urządzenia. Opracowano również sposoby wytwarzania innych barwników organicznych, by zastąpić te na bazie rutenu, ale związki te mogą być równie toksyczne, rakotwórcze i wytwarzać niebezpieczne zanieczyszczenia podczas ich syntezy.

Dlatego do budowy ogniw barwnikowych zaproponowano wykorzystanie naturalnych barwników pozyskiwanych z roślin, a kosztowny proces syntezy chemicznej zastąpiono prostym procesem ekstrakcji, co zdecydowanie obniża koszt produkcji samego urządzenia. Wskazano, że te same barwniki, które nadają kolor owocom mogą zostać wykorzystane do produkcji ogniw. Mimo, że wydajność ogniw z naturalnymi barwnikami nie jest tak wysoka jak z syntetycznymi związkami, to ich pozyskanie jest o wiele łatwiejsze i tańsze, a naturalnie występujące barwniki nie stanowią zagrożenia dla środowiska.

Należy tutaj zdać sobie sprawę, że o ile energia do zasilania ogniw fotowoltaicznych jest jak najbardziej "zielona", to często same procesy technologiczne czy związki chemiczne wykorzystywane w produkcji ogniw już niekoniecznie. Do tego dochodzi też problem z recyklingiem.

Naturalne barwniki wykorzystywane do produkcji ogniw można podzielić na cztery grupy: chlorofile, antocyjany, karotenoidy czy betalainy.

Chlorofil, czyli kluczowa cząsteczka w fotosyntezie, to zielony pigment powszechnie występujący w zielonych liściach i roślinach. Chlorofil pochłania fale z zakresu 400-450 nm i 640-680 nm, przy czym maksimum absorbcji przypada na 430 nm. Antocyjany są na ogół pozyskiwane z płatków kwiatów, owoców i absorbują światło widzialne o długości fali 450-580 nm. Karotenoidy to żółte, pomarańczowe i czerwone pigmenty otrzymywane z warzyw, roślin zielonych i alg. Betalainy stanowią żółte i czerwone pigmenty pozyskiwane z płatków kwiatów, owoców, liści i korzeni roślin, w tym z buraka ćwikłowego.

Dlatego nie ma co dziwić się pracom grup naukowców, którzy pozyskują naturalny barwnik z liści szpinaku, brokułu, czerwonej herbaty, kwiatu groszku [4], owocu mangostanu czy fioletowych słodkich ziemniaków. Spotkać też można barwniki pozyskiwane z czerwonych winogron, czerwonej cebuli, rzodkiewki, skórki pomarańczowej, jak również bzu.[5]

W zależności od użytego barwnika, otrzymane ogniwo ma inny kolor, bo obecny w nim barwnik pochłania inny zakres promieniowania słonecznego. Można powiedzieć, że w efekcie otrzymujemy ogniwo o kolorze odpowiadającym zastosowanemu barwnikowi. Ponieważ związki absorbują promieniowanie w dość wąskim zakresie, to otrzymane ogniwa nie wykazują zbyt dużej wydajności fotokonwersji. Do tego należy zwrócić uwagę jaką metodą barwnik jest pozyskiwany, w jakiej temperaturze, warunkach pH i jaki rozpuszczalnik został użyty by go otrzymać z liści czy płatków. W celu zwiększenia efektywności pracy urządzenia, stosuje się też mieszanki barwników, co pozwala na wzrost wydajności konwersji nawet o 24% w porównaniu do ogniwa, w którym zastosowano pojedynczy barwnik [6].

Mimo że początkowo zastosowanie naturalnych barwników dawało w efekcie niewielką wydajność urządzenia i na jakiś czas nieco o nich zapomniano, to by całą technologię uczynić jeszcze bardziej ekologiczną i ekonomiczną, obserwuje się powrót do pozyskiwania związków, które występują w środowisku naturalnym. Miejmy nadzieję, że niebawem nie będzie już ograniczać nas dostęp do drogich odczynników i prowadzenie wieloetapowej syntezy, a odpowiednie pozyskanie barwików z bioodpadów będzie jednym z etapów produkcji ogniwa DSSC.

Literatura:

[1] J.M. Ji et al. 14.2% Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells by Co-sensitizing Novel Thieno[3,2-b]indole-Based Organic Dyes with a Promising Porphyrin Sensitizer, Advanced Energy Materials 10 (2020) 2000124

[2] M. Kokkonen et al. Advanced research trends in dye-sensitized solar cells, Journal of Materials A. 9 (2021) 10527

[3] J.H. Kim et al., Toward Eco-Friendly Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs): Natural Dyes and Aqueous Electrolytes, Energies, 15 (2022) 219

[4] C. Cari et al., The preparation of natural dye for dye-sensitized solar cell (DSSC)

AIP Conference Proceedings 2014 (2018) 020106

[5] M. Hosseinnezhad, In quest of power conversion efficiency in nature-inspired dye-sensitized solar cells: Individual, co-sensitized or tandem configuration? Energy 134 (2017) 864-870

[6] H. Sullivan, B. Wang, L. Jiang, Investigation of tropical plant-based natural dyes combination and adsorption optimization for natural dye-sensitized solar cell, Sustainable Energy 2022; https://doi.org/10.1002/ep.13809