"Uniwersytet dla Ziemi": W poszukiwaniu nowych alternatywnych źródeł energii

Pracownicy Wydziału Nauk Ścisłych, Przyrodniczych i Technicznych Uniwersytetu Jana Długosza w Częstochowie realizowali badania naukowe, które wpisywały się w działania Uczelni pn. „Uniwersytet dla Ziemi”. Dr hab. Małgorzata Janusik-Makowska, prof. UJD (dziekan Wydziału Nauk Ścisłych, Przyrodniczych i Technicznych, Katedra Fizyki teoretycznej) realizowała projekt pn. „Fotoaktywne struktury hybrydowe do zastosowań fotowoltaicznych”. Projekt zakończył się w grudniu 2022 r.

Oto opis projektu:

Fotoaktywne struktury hybrydowe do zastosowań fotowoltaicznych 

W związku z ciągłym rozwojem cywilizacji ludzkość potrzebuje coraz więcej energii, którą można czerpać ze źródeł kopalnych lub odnawialnych. Zasoby kopalnych źródeł energii takich jak węgiel czy gaz są coraz mniejsze i zaczynają się kończyć. Z drugiej strony rosnąca eksploatacja zasobów naturalnych Ziemi wywołuje poważne problemy ekologiczne i wymusza ograniczenie wykorzystania klasycznych źródeł energii. Alternatywą są źródła odnawialne. W poprzednim stuleciu wykorzystywano jedynie odnawialne źródła energii takie jak wiatr i woda. Obecnie dodatkowym źródłem energii jest energetyka jądrowa, wzbudzająca wiele kontrowersji w społeczeństwie. Alternatywnym źródłem energii jest Słońce, ale aby z niego korzystać konieczne jest opracowanie sposobu i odpowiednich materiałów konwertujących energię słoneczną w elektryczną. Współcześnie najbardziej rozpowszechnioną technologią wykorzystującą energię słoneczną stanowią krzemowe ogniwa fotowoltaiczne. Najwyższą sprawność takich fotoogniw osiągnięto dla warstw monokrystalicznych, ale koszty ich produkcji są bardzo wysokie, a czas zwrotu inwestycji jest bardzo długi. Obecnie jest to źródło energii 2-3-krotnie droższe od paliw kopalnych, dlatego zasadnym jest prowadzenie badań nad innymi materiałami zdolnymi do konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną, które mogą być wykorzystane do konstrukcji ogniw fotoelektrochemicznych.

Projekt poświęcony jest eksperymentalnym i teoretycznym badaniom własności fizycznych materiałów hybrydowych na bazie mezoporowatych struktur dwutlenku tytanu (TiO2) oraz tlenku cyrkony (ZrO2) sensybilizowanych barwnikami organicznymi, które potencjalnie mogą być wykorzystane do budowy ogniw fotoelektrochemicznych typu. W przeszłości TiO2 o strukturze anatazu był intensywnie badany w celu zastosowań fotowoltaicznych, ale jego szeroka przerwa energetyczna sprawia, że wykorzystuje on małą część promieniowania słonecznego i nie jest doskonałym materiałem do konwersji energii słonecznej na elektryczną. Lepsze parametry konwersji energii słonecznej w elektryczną ma ZrO2, ale zbyt szeroka przerwa energetyczna tego materiału daje możliwość wykorzystania jedynie światła UV co stanowi zaledwie kilkanaście procent promieniowania elektromagnetycznego Słońca.

Tlenek cyrkonu jest półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej wynoszącej 5.4 eV, ale jednocześnie posiada duży współczynnik absorpcji promieniowania elektromagnetycznego oraz niską powierzchniową rekombinację ładunków. Własności te powodują, że ZrO2 jest materiałem o wysokiej konwersji promieniowania elektromagnetycznego w prąd elektryczny co jest pozytywną cechą materiału wykorzystywanego w zjawiskach fotostymulowanych. W chwili obecnej prowadzone są badania nad zmniejszeniem przerwy energetycznej ZrO2 w celu wykorzystania większego zakresy widma słonecznego do fotowzbudzeń. Celem projektu jest badanie własności fizyko-chemicznych tego materiału do budowy ogniw fotoelektrochemicznych i porównanie własności tlenku cyrkonu z własnościami dwutlenku tytanu jako materiału używanego w fotowoltaice. Niska fotokonwersja nośników ładunku w TiO2 w stosunku do ZrO2 dają nadzieję na wykorzystanie tlenku cyrkonu w zjawiskach fotowoltaicznych, lecz wymaga to wnikliwego zbadania i zrozumienia mechanizmu zachodzących procesów.

Celem niniejszego projektu jest zrozumienie mechanizmu fotokonwersji oraz transferu nośników ładunku z organicznego sensybilizatora do materiału półprzewodnikowego w celu polepszenia wydajności ogniw DSSC. W ostatnich latach wiele zespołów naukowych zajmujących się badaniem właściwości dwutlenku tytanu, próbuje zwiększyć jego aktywność w zakresie światła widzialnego poprzez wprowadzenie w strukturę TiO2 różnego rodzaju domieszek. W proponowanym projekcie zmniejszenie przerwy energetycznej planowane jest przez syntezę niestechiometrycznych nanokryształów TiOx i ZrOx o różnej zawartości tlenu oraz domieszkowanie tych materiałów jonami takimi jak azot, miedź, nikiel. Z drugiej strony planowana jest synteza nanokryształów o różnych wielkościach co razem ze zmianą stechiometrii oraz domieszkowaniem pozwoli wybrać struktury o przerwie energetycznej najbardziej odpowiadającej absorpcji światła słonecznego. Wybrane struktury dadzą podstawę syntezy cienkich warstw mezoporowatych sensybilizowanych barwnikami organicznymi. Projekt przyczyni się do rozwoju fotowolatiki i da możliwość konstrukcji nowoczesnych materiałów fotoaktywnych.