Плівка, пофарбована екстрактом лушпиння червоної цибулі, та сенсибілізовані барвником сонячні елементи/Väinö Anttalainen/University of Turku
Фінські дослідники з Університету Турку створили біоплівку на основі барвника з лушпиння червоної цибулі для захисту сонячних батарей від ультрафіолетового випромінювання.
Створена спільно з науковцями з Університету Аалто та Університету Вагенінгена, плівка не тільки повністю блокує ультрафіолет, а й перевершує за характеристиками комерційні захисні покриття на основі пластику.
Ультрафіолетове випромінення руйнує чутливі компоненти, зокрема, електроліт у сенсибілізованих барвником сонячних елементах (DSSC), відомих своєю гнучкістю та ефективністю за слабкого освітлення. Для зменшення цього ефекту виробники обертають елементи плівками з пластику на основі нафтопродуктів, як поліетилентерефталат. З часом ці пластики руйнуються. Також, їх складно переробляти.
У пошуках біоальтернативи фінські дослідники звернули увагу на наноцелюлозу — відновлюваний матеріал, який отримують з деревини. Її можна переробляти у тонкі прозорі плівки, що слугують ідеальним захистом для комірок сонячних батарей від ультрафіолету.
Науковці пофарбували плівки екстрактом з лушпиння та отримали фільтр, що блокує 99,9% ультрафіолетового випромінення із довжиною хвилі до 400 нм. У сонячних батареях ключовим є збереження видимого та ближнього інфрачервоного світла, оскільки саме ця частина спектра використовується для генерації електрики. Оброблений фільтр пропустив понад 80% світла в діапазоні 650-1100 нм.
Фільтри витримували під штучним сонячним світлом протягом 1 тис. годин. Дослідники прикріпили їх до DSSC і спостерігали за деградацією плівки та розміщених під нею сонячних елементів. Втрата кольору, зокрема, пожовтіння або знебарвлення електроліту, свідчила про деградацію.
“Дослідження підкреслює важливість довгострокових випробувань УФ-фільтрів, оскільки УФ-захист та світлопропускання інших біофільтрів значно змінюються з часом. Наприклад, плівки, оброблені іонами заліза, мали хорошу початкову світлопроникність, яка знижувалася з часом”, — пояснює Рустем Нізамов.
Плівка CNF-ROE, що являє собою целюлозне волокно з екстрактом лушпиння червоної цибулі, лише незначно змінила колір і зберегла жовтий відтінок електроліту, набагато краще за будь-які інші фільтри. Прогнозне моделювання попередніх тенденцій деградації передбачало, що CNF-ROE здатна подовжити термін роботи сонячного елементу приблизно до 8,5 тис. годин. Водночас, фільтри на основі пластиків забезпечують роботу сонячного елементу усього упродовж 1,5 тис. годин.
У верхніх рядах показаний зовнішній вигляд плівок УФ-фільтра, а в нижніх – відповідні комірки DSSC під плівками. Жовтий колір електроліту DSSC відображає деградацію окислювально-відновлюваної пари з часом і безпосередньо впливає на продуктивність сонячного елемента/Applied Optical Materials
Дослідники також випробували інші види біофільтрів. Один з них містив іони заліза, другий — наночастинки лігнину (побічного продукту промислового виробництва паперу). Обидва фільтри продемонстрували багатонадійні результати на ранніх стадіях випробувань, однак вони більш стрімко руйнувались під впливом ультрафіолету. Зокрема, плівки, оброблені залізом (TOCNF-Fe³⁺), спочатку демонстрували непоганий захист, але згодом їхні властивості помітно втрачалися.
Своєю чергою, біоплівка CNF-ROE продемонструвала рідкісне поєднання довговічності, прозорості та стійкості. Частково це пов’язано з пігментними молекулами антоціанами, які надають червоній цибулі насиченого кольору та поглинають ультрафіолет. Окрім цього у шкірці червоної цибулі також містяться флавонолглікозиди та фенольні кислоти, які можуть сприяти додатковій стабільності.
Тепер фінські науковці планують використати біорозкладані сонячні елементи у поєднанні з дистанційними датчиками або пристроями, що носяться, особливо, якщо відновлення або подальше перероблення таких пристроїв є недоцільними. З поширенням сонячних панелей попит на екологічні та довговічні матеріали лише зростатиме. Наразі більшість комерційних сонячних модулів, як і раніше, використовують захисні плівки на основі пластиків.
Навіть новітні сонячні технології, такі як перовскітні елементи, залишаються вкрай чутливими до ультрафіолетового випромінювання і гостро потребують ефективніших бар’єрів. Саме тут біорозкладаний матеріал, що перевершує наявні стандарти та виготовлений фактично з харчових відходів, може зробити тиху революцію.
Результати представлені у журналі Applied Optical Materials
