Solarne ploče od bijelog pigmenta – i plastike

Solarne ploče koje će moći poprimiti bilo koji oblik, a usto će biti neusporedivo jeftinije od onih koje danas koristimo... Tajna je u titanijevom dioksidu i električki vodljivom polimeru.

Nenad Raos nedjelja, 18. kolovoza 2019. u 07:30

Titanij je čudo metalurgije: čvrst kao čelik, ali pripada skupini lakih metala, poput aluminija (gustoća aluminija je 2,7, a  titanija 4,5 g/cm3 – za uporedbu gustoća željeza je 7,9 g/cm3). Usto mu je talište više od tališta čelika, a kamoli aluminija – čak 1660 oC – dok se po kemijskoj postojanosti  može  mjeriti s platinom i staklom. Ne možeš zamisliti boljeg metala za gradnju aviona, raketa i svemirskih brodova, no –  da se spustimo na zemlju – titanij je izvrstan materijal za izradu umjetnih zglobova i drugim implantata te alpinističkih klinova, lonaca i tava.

Ako je titanij jedno čudo, njegov oksid, titanijev dioksid, TiO2, čudo je još veće. I ne znajući nalazimo ga na našim zidovima i našem namještaju jer je kao bijeli anorganski pigment našao svoj put do boja, zamijenivši još od rimskog doba neizbježno olovno bjelilo. Zašto? Zato što je olovno bjelilo vrlo otrovno, a što je najgore nema tako niske doze u kojoj ne bi naštetilo zdravlju: stanovi su bili puni olovne prašine, koja je nastajala trušenjem drvenine, a toj su otrovnoj prašini bila najizloženija djeca zato što svašta stavljaju u usta. No ti su crni dani daleko iza nas zahvaljujući bijelom titanijevom dioksidu.  Sasvim je neotrovan. Dokaz? U staroj sam ruskoj knjizi pročitao kako je nekom jadniku dodijao život, pa je počeo jesti prvu „kemikaliju“ koja mu je došla pod ruku. Srećom je to bio titanijev dioksid: pojeo ga je dva kilograma – i ostao živ.

Najveće čudo čudnovatoga TiO2 su njegova fotokatalitička svojstva. Još su naime 1972. japanski kemičari otkrili da titanijev dioksid  kada se osvijetli ultraljubičastim zračenjem može razlagati vodu na kisik i vodik. O čemu je riječ? U tome oksidu, baš kao u seleniju ili siliciju, dolazi djelovanjem svjetlosti do razdvajanja naboja, naime na elektrone, e-, te pozitivne šupljine, holes (h+), pa se onda ti naboji mogu iskoristiti za pokretanje kemijskih (redoks) reakcija, kao što  je razgradnja organskih tvari u vodi ili na prozorskom staklu – pa se tako dobiva staklo koje ne treba ni čistiti ni prati. No stvaranje parova e-/h+ ili – kako to kažu elekroničari – poluvodičkih parova n/p djelovanjem elektromagnetskog zračenja temelj je rada i fotonaponskih ploča. Zato se u posljednje vrijeme ulaže mnogo napora ne bi li se napravili fotonaponski elementi utemljeni na titanijevom dioksidu a ne kristalnom siliciju.

Važan korak u tom smjeru nedavno su napravila petorica znanstvenika iz Saudijske Arabije te o tome obavijestila početkom godine u časopisu Heliyon širu znanstvenu javnost. Naslov njihova rada je strogo tehnički, A study of the nanostructure and efficiency of solid-state dye-sensitizend sollar cells based on a conducting polymer, no ipak se usprkos takvom izričaju, ili upravo zbog njega razabiru tri bitne odrednice: solarne ćelije su krute (solid-state), nešto je u njima senzibilizirano bojom (dye-sensitizend) te se temelje na električki vodljivom polimeru (conducting polymer).

Riječ je o tome da su na polimernu masu  nanešene 20-nanometarske čestice TiO2 koje su prethodno bile senzibilizirane bojom na bazi rutenija, poznatom pod kraticom N3, kako bi apsorbirale u vidljivom a ne u ultraljubičastom dijelu spektra. Jednostavno – no vrag je (kao i obično) u detalju.

A najvažniji „detalj“ u cijeloj priči je stanje elektrolita, u ovom slučaju polimera. Već se naime dugi niz godina istražuju solarne ćelije poput ove, bojom senzibilizirane solarne ćelije (dye-sensitized solar cells, DSC), no nevolja je što su imale tekući elektrolit, a to opet  znači da je mogao iz njih isteći ili ishlapiti. To se kod ove nove, polimerne ćelije ne može dogoditi. No nije sve lijepo da ljepše ne može biti.

Opet je riječ o sitnim promjenama s velikim posljedicama. Kada su saudijski znanstvenici upotrijebili P3HT,  poli(3-heksiltiofen), njihov je fotonaponski članak pokazao zanemarivo pretvaranje Sunčeve u električnu energiju  – samo 0,0005 %. Zamjenom tog vodiča sličnim polimerom, politiofenom (PTh),  postignut je mnogo veći, no još uvijek vrlo nizak stupanj pretvorbe (η = 0,15 %). No znanstvenici su napravili dva poboljšanja. Prvo je da se polimer (PTh) nanosi u obliku umrežene, spužvaste strukture, a ne u obliku sljepljenih nanočestica. Drugi je bio da se fotonaponska ploča prije upotrebe zapeče na 100 oC. Rezultat: stupanj pretvorbe Sunčeve energije povećan je na 0,83 %.

Čitatelj će reći: malo. I jest malo, ne samo u usporedbi sa silicijevim fotonaponskim pločama nego i s već postojećim ćelijama DSC s tekućim elektrolitom (η = 1,24%). Pa ipak, kada se TiO2 upotrebljava kao katalizator fotokatalitičko iskorištenje raste do 10 %, a ne treba odbaciti ni mogućnost primjene nanočestica od drugih materijala (iskušavaju se još ZnO, SnO2 i organski spojevi) te drugih senzibilizatora. Riječ je, ukratko, o trećoj generaciji fotonaponskih elemenata, solarnih ćelija koje će biti savitljive, koje se će moći oblikovati u svaki oblik i – ono najvažnije – koje će se proizvoditi od izuzetno jeftinih sirovina. Jer riječ je, barem što se kemijskog sastava tiče, o plastičnoj masi obojenoj titanovim bjelilom. 

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.