Solarna ploča od plastike – ravna silicijevoj
Sve solarne ploče koje vidimo po krovovima (i drugim mjestima) sadrže kristalni silicij. No ne mora biti tako: umjesto silicija mogu sadržavati umjetne polimere i titanijeve okside
Dijamanti se ne kupuju na kile, kao krumpiri. Dijamanti se kupuju na komade (naravno!), ali opet ne kao jaja. Kupuju se kao knjige ili, bolje reći, kao umjetničke slike. Dvaput veći dijamant nije dvaput nego četiri puta skuplji, triput veći dijamant nije skuplji triput nego devet puta – i sve tako dalje, geometrijskom progresijom. Tome treba dodati još dolara (eura) za sjaj, prozirnost, za egzotičnu boju, za odsutnost pukotina i drugih defekata...
Kemijski paradoks: gotovo sve krute stvari (sol, šećer, kovine...) nalaze se u kristalnom stanju, pa opet su kristali, poput kristala ugljika (dijamant), rijetki i skupi. Riječ je dakako o veličini i obliku kristala, jer lako je dobiti slijepljene kristale (kristalni agregat), no nije lako prirediti odvojene kristale (monokristale), posebice ako su veliki i simetrični. Zato cijena dijamanta ne poznaje granice.
Slično je i s kristalima silicija (c-Si). Oni nisu, istina, toliko skupi kao kristali ugljika, no ipak čine 40 % cijene fotonaponske (solarne) ploče. Nezgodno je i to što su solarne ploče s kristalnim silicijem nesavitljive, a usto se ne odlikuju velikom trajnošću budući da im sposobnost pretvaranja Sunčeve u električnu energiju pada po stopi od 0,8 – 1,0 % godišnje. Pa ipak, unatoč svim nedostacima, čak 95 % u 2021. godini proizvedenih solarnih ploča bilo je na bazi kristalnog silicija. Zašto?
Odgovor leži u njihovoj visokoj efikasnosti pretvaranja Sunčeve u električnu energiju. Ona se kreće od 10 – 20 %, s time da najbolje fotonaponske ploče koje se mogu naći na tržištu postižu stupanj pretvaranja energije od 21,5 %. No neće još dugo biti najbolje.
Upravo izrečenu tvrdnju potkrepljuje naslov znanstvenog rada kineskih znanstvenika objavljenog u časopisu Joule: „Tandem organic solar cell with 20,2% efficiency“. Ravno u glavu: nova je solarna ploča tek malčice gora od silicijeve, jer joj je najviša izmjerena vrijednost efikasnosti jednaka 20,27 %, a srednja vrijednost – od deset ćelija – 20,00 %. Ta je posljednja vrijednost (20,0 %) priznata kao službena... No, da ne cjepidlačimo dalje. U čemu je tajna nove solarne ploče?
Iako se deklarira kao „organska solarna ćelija“ (organic solar cell, OSC), u njoj se susreću organska i anorganska kemija. Ćelija se naime sastoji od tri sloja (subćelije). Gornji sloj se sastoji od polimera PBDB-TF kojem je primiješan aromatski heterociklički spoj BTP-eC9. Donji sloj također sadrži polimer PBDB-TF no njemu je primiješan drugi heterociklički aromatski spoj kojeg kemičari poznaju pod kraticom GS-ISO. Između ta dva sloja nalazi se ono najvažnije – međusloj (interconnecting layer, ICL). On se pak sastoji od sloja amorfnog – dakle ne kristaliničnog – titanijeva oksida, TiOx, i sloja soli dvaju polimera. Prvi je polimer, PEDOT, naime kation, a drugi, PSS, anion. Sve skupa: TiOx/PEDOT:PSS.
Što je TiOx teško je od prve reći. Formula najčešćeg titanijeva oksida je TiO2 i kao takav (titanijev dioksid) se pojavljuje u prirodi u obliku minerala rutila i anatasa. No ne samo u prirodi: nalazimo ga, zbog neotrovnosti, u pasti za zube i u bijeloj boji, gdje zamjenjuje otrovno olovno bjelilo. Osim toga, titanijeva(IV) oksida, kemija poznaje i titanijev(III) oksid, Ti2O3, čiju kemijsku formulu možemo, zbog uskoro otkrivenog razloga, napisati i kao TiO1,5.
Što su napravili kineski znanstvenici? Oni su u bakreni lončić s rutilom uperili snop elektrona, uslijed čega je titanijev oksid počeo isparavati te se naparivati na podlogu donje podćelije (PBDB-TF:GS-ISO). Ovisno o koncentraciji kisika, nastajali su amorfni slojevi titanijeva oksida, e-TiOx, s različitom vrijednošću x ili, bolje reći, s različitim udjelima titanijevih iona Ti4+i Ti3+. Od tri ispitana amorfna oksida, e-TiO1,62 e-TiO1,76 i e-TiO1,89, najboljim se pokazao onaj srednji, dakle e-TiO1,76. Druga sva oksida imala su znatno manju efikasnost pretvaranja Sunčeve energije u električnu: 18,04 % (e-TiO1,62) i 13,43 % (e-TiO1,89).
Tako govore brojke. A ono što leži s druge strane brojaka je da je riječ o jeftinoj, savitljivoj i ekološki prihvatljivoj fotonaponskoj ploči. Organski dio ploče može se reciklirati kao što se reciklira plastika ili, u najgorem slučaju, bezopasno spaliti, a anorganski dio ploče (titanij, srebro te indij i kostitar iz završnih slojeva – Ag i ITO) mogu se izdvojiti iz pepela.
Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 15 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemija – muza arhitekture“ (u koautorstvu sa Zvonkom Pađanom) i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.
