Zawiesiny kropek kwantowych / Politechnika Łódzka

Zdaniem naukowców z Politechniki Łódzkiej przyszłość paneli fotowoltaicznych leży w wykorzystaniu grafenowych kropek kwantowych, które są wytwarzane z bioodpadów. Ta rewolucyjna metoda produkcji pozwala na znaczne zmniejszenie ilości odpadów, a także wyeliminowanie zagrożeń związanych z pozyskiwaniem krzemu. Nowe biopanele mogą być elastyczne i przezroczyste, a do tego pozwalają na przetwarzanie energii słonecznej na energię elektryczną. Odkrycie to może okazać się przełomowe dla przemysłu odnawialnych źródeł energii.

Nie takie eko jakby się wydawało…

Głównym problemem związanym z produkcją paneli fotowoltaicznych jest brak wystarczającej ilości krzemu. Ten pierwiastek jest jednym z głównych surowców wykorzystywanych w produkcji paneli, a jego pozyskiwanie wiąże się z ryzykiem choroby zawodowej górników, którzy pracują w kopalniach. Przy tym procesie emisja gazów, takich jak dwutlenek węgla i siarka, jest bardzo wysoka i poważnie wpływa na nasze środowisko, podobnie jak paliwa kopalne. Dodatkowo, problemem jest także utylizacja paneli fotowoltaicznych, co z racji tego, że są one ciężkie i zawierają wiele szkodliwych substancji, jest trudne i kosztowne. Ogromna ich liczba trafia na wysypiska śmieci, co stanowi zagrożenie dla środowiska, a także jest marnotrawstwem cennych surowców, które można by było wykorzystać ponownie[1]. A w dzisiejszych czasach coraz istotniejsze jest postępowanie w sposób, by nie nadużywać niepotrzebnie środowiska. Właśnie dlatego naukowcy z Politechniki Łódzkiej postanowili opracować metodę syntezy mikrofalowej grafenowych kropek kwantowych, powstających z bioodpadów, do produkcji elastycznych i przezroczystych ogniw fotowoltaicznych.

Kuchnia inspiruje nie tylko w gotowaniu

Jak na to wpadli? Głównie dzięki zbiegowi różnych okoliczności. W międzynarodowym zespole, który składał się ze studentów z Ekwadoru, Norwegii i Belgii, razem z dr. inż. Piotrem Zawadzkim oraz doktorantem Piotrem Kosobudzkim, zastanawiali się, jak obniżyć koszty ogniw fotowoltaicznych. Postanowili wykorzystać do tego grafen. Po przeprowadzeniu analizy okazało się, że grafenowe kropki kwantowe świetnie się do tego nadają, jednakże naukowcy mieli problem z uzyskaniem surowca do ich wytworzenia, jakim jest węgiel. Zdecydowali się na wykorzystanie materiałów biologicznych, takich jak owoce i warzywa, np. banany, buraki, pomarańcze. Najważniejsze dla naukowców było, aby wytworzenie grafenowych kropek kwantowych było tanie i efektywne, dlatego postanowili zastosować metodę mikrofalową (znaną z kuchenek mikrofalowych) i urządzenia dostępne w większości kuchni. Ten proces produkcji okazał się być bardzo wydajny, a w ostatnim czasie naukowcy wykorzystali nawet trawę zebraną w ogrodzie. Dzięki takiemu podejściu stworzono materiał mniej nieprzyjazny dla środowiska, ale również otrzymany w sposób ekonomiczny, co stanowi znaczący atut w dzisiejszych czasach.

Zdjęciepochodzące z mikroskopii transmisyjnej przedstawiające grafenowe kropki kwantowe / Politechnika Łódzka

Mikrofale w służbie nauki

Kolejnym krokiem w produkcji kropek kwantowych jest przetworzenie biologicznych produktów i zrobienie z nich ekstraktu w postaci pulpy. Następnie należy włożyć ją do mikrofali, a po 30 minutach otrzymujemy zawiesiny kropek kwantowych. Można je zobaczyć pod mikroskopem, ale także powinny świecić w promieniowaniu UV. Można to w łatwy sposób sprawdzić, należy skierować lampę UV na ekstrakt, który powinien mieć kolorową poświatę, może ona być od zieleni, przez delikatną żółć, aż po niebieski. W późniejszym procesie naukowcy przeprowadzają wysublimowane badania, wykorzystując mikroskop transmisyjny, by sprawdzić jakie układy powstały. Najważniejszym procesem jest wyekstrahowanie kropek kwantowych z roztworu, a są one wielkości do 10 nanometrów. Badacze posiadają już opracowaną metodę. W dalszej kolejności otrzymane grafenowe kropki kwantowe należy przenieść na folię, wykorzystując efekt atomizacji, tak jak z butelki do perfum, po czym wykonuje się z nich elektrody. Dzięki temu procesowi uzyskujemy efekt perkolacji i możemy przetwarzać energię słoneczną na energię elektryczną.

Opracowanie tej metody to wielki sukces. Grafenowe kropki kwantowe były wytwarzane z bioodpadów już wcześniej, ale głównie metodą hydrotermalną, natomiast naukowcy z Politechniki Łódzkiej zastosowali mikrofalową, którą zmodyfikowali. Nie odkryli niczego nowego, ale zmodernizowali już istniejącą metodę produkcji grafenowych kropek kwantowych do całkiem nowego zastosowania, co umożliwia skalowanie tej metody do zastosowań przemysłowych.

Co dalej z grafenowym eko projektem?

Celem naukowców jest założenie firmy spin-off, która zajmie się produkcją elastycznych i przezroczystych ogniw fotowoltaicznych z wykorzystaniem grafenowych kropek kwantowych i folii. W przeciwieństwie do tradycyjnych paneli fotowoltaicznych, są one elastyczne, przezroczyste i nie zawierają szkodliwych substancji, co czyni je bardziej przyjaznymi dla środowiska. Naukowcy uważają, że przy masowej produkcji koszty będą niskie. Takie też było zamierzenie. Szukają inwestorów, którzy pomogą w rozwinięciu projektu, i są dobrej myśli, gdyż folie z naniesionymi grafenowymi kropkami kwantowymi stanowią rozwiązanie problemu integracji ogniw krzemowych z dachem, a ponadto można je łatwo nakleić lub wmontować w szyby i elewacje budynków.

Wnioski, jakie możemy wyciągnąć z opisanej w artykule metody produkcji grafenowych kropek kwantowych i ich zastosowań w ogniwach fotowoltaicznych, są bardzo obiecujące. Dzięki taniemu i efektywnemu sposobowi wytwarzania oraz wykorzystaniu bioodpadów jako substratu do produkcji, naukowcy z Politechniki Łódzkiej stworzyli innowacyjne rozwiązanie, które może przyczynić się do ograniczenia kosztów produkcji energii elektrycznej z użyciem źródeł odnawialnych.

Powyższy artykuł powstał wyłącznie w celach informacyjnych i nie jest reklamą. Nie ponosimy żadnych korzyści finansowych, ani innych korzyści związanych z jego publikacją.