Noi tipuri de celulele solare

Convorbire cu dr. Mihai Mihaila, membru corespondent al Academiei Romane

Este cert, resursele energetice sunt din ce in ce mai putine, a inceput, ca sa spunem asa, numaratoarea inversa… Dintre resursele regenerabile pana acum cele mai folosite sunt cele solara, eoliana si a valurilor in care se pun multe sperante. Tocmai v-ati intors de la Uppsala unde ati participat la Conferinta internationala de celule fotovoltaice hibride si organice. Ce sunt celulele hibride si organice, stiind ca frecvent se vorbeste de celulele solare care folosesc siliciu?

Celulele solare sunt dispozitive care convertesc energia solara in energie electrica. In celulele solare organice intra doar materiale organice, cum sunt polimerii, iar in cele hibride se folosesc atat materiale organice, cat si anorganice. In acest ultim tip de celula se plaseaza si celulele pe baza de pigmenti. In 1991, profesorii O’Brian si Grätzel au publicat o lucrare in revista „Nature“ in care demonstrau ca o asemenea celula poate avea un randament de peste 7%, ceea ce atunci era spectaculos.

Cum arata o asemenea celula?

In esenta, celula cuprinde trei elemente: un conductor pentru electroni, anodul, care in general este un oxid metalic (in principal oxidul de titan, dar si din alte elemente), catodul care este un electrolit, in care se afla un cuplu redox, un material capabil sa cedeze un electron. Alte materiale pentru catod pot fi anumiti polimeri care pot conduce curentul electric, dar si alte materiale, cum ar fi asa-numitele molecule mici. Cromoforul se prinde chimic de anod printr-o operatie care se numeste functionalizare. Cromoforul se afla, asadar, intre anod si catod si, asa cum ii spune si numele, este cel care absoarbe fotonii, radiatia solara. Sub actiunea acesteia, electronii cromoforului trec intr-o stare excitata. Un astfel de electron trece in banda de conductie a anodului. Pentru reluare procesului de absorbtie, cromoforul trebuie sa revina in starea initiala. Aceasta revenire se face prin captura unui electron de la electrolit. Daca, spre exemplu, cromoforul capteaza electronul de la anod, si nu de la electrolit, atunci randamentul celulei scade. Desi destul de dificil, prin design molecular, aceste procese pot fi controlate.

Fata de celulele cu siliciu folosite deja frecvent, care sunt avantajele care ar justifica inlocuirea lor?

In principiu, nu se pune problema inlocuirii celulelor cu siliciu. Noile celule sunt vazute, in acest moment, ca o alternativa la celulele cu siliciu, fata de care ar putea avea un pret mai mic. In plus, materialele care se folosesc sunt simple si nu implica procese chimice deosebite. Mai este un aspect important din punct de vedere fizic. In timp ce in celulele cu siliciu procesele se realizeaza simultan si optimizarea se poate face numai la nivelul intregului sistem, in cazul celulelor hibrid si organice, materialele care transporta electronii si golurile sunt diferite si, intre anumite limite, pot fi optimizate separat.

Ar mai fi problema randamentului.

Din acest punct de vedere, in momentul de fata, celulele cu siliciu sunt mai bune decat cele hibride si organice. Astfel, pentru celulele cu siliciu, randamentul este de 18-20% si, in unele aplicatii, chiar mai mult. In ceea ce priveste celelalte celule, cam de un deceniu s-a ajuns la o anumita saturatie, cu aproximatie 11%. Se vorbeste de o schimbare de paradigma deoarece pentru a fi competitiv, acest tip de celula trebuie sa treaca de 15%.

Ce sanse sunt?

La Conferinta la care am participat s-au discutat aspecte legate de procesele fizice si chimice fundamentale din aceste celule, precum si cele legate de tehnologia de fabricatie. S-a ajuns la concluzia ca daca s-ar putea realiza cromofori care, in comparatie cu cei care exista acum, sa absoarba mai mult in infrarosu, atunci randamentul ar putea ajunge la 15%, fara modificari importante in ceea ce priveste celelalte componente ale celulei.

Mai este si problema „imbatranirii“ acestor celule. Ce inseamna?

Pana acum s-au facut celule cu un randament de peste 13%, dar problema care se pune este ca aceste celule sa fie stabile un timp cat mai indelungat. In acest context, vorbim de fenomenul de imbatranire. Din acest motiv, dupa fabricatia in laborator se intra in faza de pilot si se testeaza pentru a se vedea in ce masura rezista.

Din cate stiu, siliciul este foarte bun sub acest aspect.

E adevarat. Dar exista chiar acum celule pe baza de pigmenti care, testate, au aratat ca pot rezista doua decenii fara probleme sau cu mici modificari.

Ca pret, sunt mai ieftine?

Incep sa fie mai ieftine.

Alte avantaje?

Fabricatia lor este relativ mai usoara, dar ceea ce imi spune ca vor fi de succes este faptul ca in ultimii doi ani s-au facut progrese foarte importante.

Si tot ar mai fi o problema. Siliciul se gaseste in cantitati foarte mari, dar substantele de care ati vorbit sunt dintre cele rare – titan, ruteniu, cobalt. Nu e prea scumpa procurarea lor?

Aveti dreptate. Aici sunt doua aspecte: unul legat de raritatea acestor elemente si altul de epuizabilitatea lor inevitabila. In consecinta, se cauta cromofori organici.

Ar fi varianta ideala?

Ar fi varianta ideala pentru ca sunt mai buni absorbanti in comparatie cu cromoforii pe baza de ruteniu.

Si din punct de vedere ecologic?

Nu par a fi probleme.

Sunt si alte cautari?

Exista un numar enorm de incercari in toata lumea. Dupa cum arata lucrurile acum, cromoforul este cheia cresterii eficientei celulelor pe baza de pigmenti.

In ce banda absoarbe cel mai mult?

Absoarbe incepand de la marginea ultravioletului pana in infrarosu. In functie de structura chimica, cromoforul prezinta maxime de absorbtie la anumite frecvente. Cum spuneam, ideal ar fi sa absoarba cat mai mult in infrarosu.

Cum se procura acesti pigmenti?

Multi se gasesc deja pe piata. Dar, daca vrei sa faci ceva deosebit trebuie sa-ti gandesti singur pigmentul, adica sa faci un design de molecula. Acum, aici e marea competitie in lume si in fiecare zi apar pigmenti noi. E una dintre marile batalii din acest domeniu. Daca se va reusi sa se faca un cromofor care sa absoarba la lungimi de unda mai mari, atunci, cu siguranta, se va strapunge bariera de 15% randament.

Deci, pana la urma, competitia este pentru randament.

Da, si aici absorbtia cromoforului are un rol fundamental. Daca absorbtia este slaba, randamentul este mic, daca este buna, catre lungimi de unda mai mari, si randamentul este pe masura.

Bun, ramane dependenta de lumina.

Da, functioneaza chiar la o iluminare mai slaba, nu e neaparata nevoie sa fie soare.

Cu acelasi randament?

Sunt situatii in care randamentul e chiar mai bun. In acest sens, cel mai bun exemplu de celula este cea realizata de grupul profesorului Grätzel si publicata anul trecut, in noiembrie, in revista „Science“.

Este energia solara preferabila fata de cea eoliana sau a valurilor?

Eu cred ca ele pot merge mana in mana si, in functie de conditiile locale, se va putea adopta un sistem sau altul. Depinde de anotimp, de conditiile fiecarei zone, etc.

Exista riscuri?

Nu, nu exista, nu se pot intampla accidente ecologice, aceasta tehnologie este una „verde“ (green).

Dezavantaje?

Ar fi faptul ca sistemul nu este permanent functional, din cauza alter­nantei zi/noapte.

Energia nu se poate stoca inca. Sunt alte solutii?

Ar fi extraordinar ca energia sa poata fi stocata, nu este exclus ca asa ceva sa apara relativ repede. Ca alternativa, a fost avansata ideea ca, in momentul in care un producator mic de energie solara nu are nevoie de aceasta, sa o transfere in reteaua clasica. Acolo, consumul se poate reduce pe seama castigului din energia solara si, la nevoie, se face transferul invers.

E ca un troc.

Da, iar in momentul cand nu se mai poate produce energie solara, o furnizeaza sistemul clasic. De altfel, trebuie spus ca se merge pe ideea stimularii producatorilor individuali. Oricare dintre noi poate avea acasa panouri solare pentru satisfacerea nevoilor zilnice. Acest sistem ar putea fi conectat la reteaua clasica de energie produsa de termo sau hidrocentrale si, la nevoie, sa se poata face comutarea de la un sistem la altul.

Dar dincolo solutiile actuale, credeti ca se va descoperi o noua forma de energie, acel al treilea Prometeu de care vorbea savantul Nicholas Georgescu-Roegen?

Nu stiu, dar in stiinta pot sa apara surprize enorme, de cele mai multe ori atunci cand ne asteptam mai putin. Ma gandesc ca ar fi posibil sa apara ceva din domeniul nanotehnologiei.

Elena Solunca Moise

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here