Istraživači sa University of Minnesota i University of Milano-Bicocca donose san o prozorima koji mogu efikasno da generišu solarnu energiju i zahvaljujući silicijumskim nanočesticama visoke tehnologije korak su bliže da ovo i ostvare.
Istraživači su razvili tehnologiju ugradnje silicijumskih nanočestica u ono što oni nazivaju efikasnim luminescentnim solarnim koncentratorima (LSC). Ovi LSC su ključni elementi prozora koji će obezbediti efikasno prikupljanje solarne energije. Kada svetlost prolazi kroz površinu, korisne frekvencije svetlosti tada bivaju zarobljene unutra i tada se koncentrišu po ivicama gde se mogu postaviti male solarne ćelije koje bi prikupljale energiju.
Istraživanje je objavljeno u časopisu „Nature Photonics“ koga objaviljuje Nature Publishing Group.
Prozori koji prikupljaju solarnu energiju, nazvani fotonaponski prozori, će biti sledeći na koje će biti stavljen akcenat kada se govori o oblasti tehnologija koje se bave obnovljivom energijom. Ovo je iz razloga što imaju potencijal da u velikoj meri povećaju površinu zgrada pogodnu za proizvodnju energije bez uticaja na njihovu estetiku - što je ključno, posebno u gradskim područjima. Fotonaponski prozori bazirani na LSC ne zahtevaju nikakvu glomaznu konstrukciju na kojoj će se primeniti a pri tome su i fotonaponske ćelije skrivene u okvir prozora pa se uklapaju neprimetno u već izgrađeno „okruženje“.
Ideja o solarnim koncentratorima i solarnim ćelijama integrisanim u projekat zgrade postoji već decenijama unazad, međutim ovo istraživanje obuhvatilo je jednu ključnu razliku – silicijumske nanočestice. Do nedavno, najbolji rezultati su postizani upotrebom relativno složene nanostrukture bazirane na potencijalno toksičnim elementima, kao što su kadmijum ili olovo, ili na retkim supstancama poput indijuma, koji se već masovno koristi u drugim tehnologijama. Za razliku od njih, silicijuma ima u izobilju i nije otrovan. On takođe efikasnije apsorbuje svetlost na različitim talasnim dužinama nego što emituje. Međutim, silicijum u konvencionalnim rasutom stanju, ne emituje svetlost niti osvetljava.
Slika. Svetlost koncentrisana po ivicama na silicijum baziranom LSC nije vidljiva golim okom već uz pomoć UV svetlosti (foto: Uwe Kortshagen, University of Minnesota; preuzeto sa www.sciencedaily.com)
„U našoj laboratoriji smo „prevarili“ prirodu izbegavajući dimenzije kristala silicijuma od nekoliko nanometara, što je oko deset hiljaditi deo prečnika ljudske dlake", rekao je profesor mašinstva Uwe Kortshagen sa University of Minnesota, pronalazač procesa pravljenja silicijumskih nanočestica i jedan od starijih autora studije. „U ovoj veličini, svojstva silicijuma se menjaju i postaje efikasan u osvetljavanju, sa važnom karakteristikom da ne reapsorbuje sopstveno osvetljavanje. To je ključna karakteristika koja čini silicijumske nanočestice idealne za primenu kod LSC."
Upotreba silicijumskih nanočestica otvorila je mnoge nove mogućnosti za istraživački tim.
„Poslednjih nekoliko godina, LSC tehnologija je doživela ubrazni rast, zahvaljujući i pionirskim studijama sprovedenim u Italiji, ali pronalaženje odgovarajućih materijala za prikupljanje i generisanje solarne energije je još uvek otvoren izazov", rekao je Sergio Brovelli, profesor fizike na University of Milano-Bicocca. On je koautor studije i jedan od osnivača spin-off kompanije Glass to Power koja je industrijalizovala LSC za fotonaponske prozore.
Istraživači kažu da optičke osobine silicijumskih nanočestica i njihova gotovo savršena kompatibilnost sa industrijskim procesima proizvodnje polimera LSC stvara jasan put za stvaranje efikasnih fotonaponskih prozora koji mogu da prikupe više od 5 odsto sunčeve energije po neviđeno niskim troškovima.
„To će učiniti fotonaponske prozore bazirane na LSC-u realnom tehnologijom koja će pokrenuti izgradnju „fotonaponskog“ tržišta bez potencijalnog ograničavanja drugih klasa nanočestica na osnovu relativno retkih materijala", rekao je Francesco Meinardi, profesor fizike na University of Milano-Bicocca i jedan od prvih autora rada.
Proizvodnja silicijumskih nanočestica se vrši kroz procese visokih tehnologija pomoću plazma reaktora i one se formiraju u prah.
„Svaka čestica se sastoji od nešto manje od dve hiljade atoma silicijuma", rekla je Samantha Ehrenberg, student mašinstva na doktoratu na University of Minnesota i takođe jedna od prvih autora studije. „Prah se pretvara u rastvor nalik mastilu, a zatim se ugrađuje u polimer - formirajući ploču od savitljivog plastičnog materijala ili oblagajući površinu u formi tankog filma."
University of Minnesota izumeo je proces stvaranja silicijumskih nanočestica pre desetak godina i ima niz patenata u oblasti ove tehnologije. Godine 2015. Kortshagen je upoznao Brovellija, koji je stručnjak za izradu LSC i i koji je već pokazao kroz različite uspešne pristupe efikasnost LSC baziran na drugim sistemima nanočestica. Potencijal silicijumskih nanočestica kod ove tehnologije je odmah bio jasan i partnerstvo je sklopljeno. University of Minnesota je proizveo čestice a istraživači u Italiji su proizveli LSC ugrađujući ih u polimere industrijskom metodom i upalilo je.
„Ovo je partnerstvo u okviru koga su se okupili najbolji istraživači u svojim poljima u cilju ostvarivanja starih ideja uspešnim", rekao je Kortshagen. „Imali smo ekspertizu kod izrade silicijumskih nanočestica i naši partneri u Milanu su imali stručnost u izradi luminescentnih koncentratora. Kada je sve skupljeno na jedno mesto, znali smo da smo imali nešto posebno."
Sredstva za istraživačke studije uključivale su donacije od U.S. Department of Energy (DOE) Office of Basic Science Center for Advanced Solar Photophysics, Energy Frontier Research Center i nepovratnu finansijsku pomoć od European Community's Seventh Framework Programme. Ehrenberg je takođe dobio sredstva i od National Science Foundation (NSF) i od Benjamin Y.H. i od Helen Liu.
