Connect with us

Fizika i kemija

Fotonaponske ploče efikasnije od prirode

Pitati zašto kvadratni metar fotonaponske ploče, izložen jakome suncu, ne daje struju snage 1000 W (nego samo 50 – 140 W) isto je što i pitati zašto polje kukuruza ne daje trideset puta veću urod. Odgovor je jasan: malo se Sunčeve energije pretvori u električnu, pa i u kemijsku energiju, onu energiju što je biljke pohranjuju u obliku šećera, škroba, bjelančevina i drugih hranjivih sastojaka. Najbolje kulturne biljke (kukuruz i šećerna trska) iskorištavaju samo 3 % Sunčeve energije – one u prirodi iskorištavaju je deset puta manje, 0,1 do 0,2 %. Čak i u laboratorijskim uvjetima biljke ne mogu iskoristiti više od 6 % energije što do njih stigne od najbliže nam zvijezde (kojoj, da završim poetično, dugujemo sav život na Zemlji).

Ni biljke ni fotonaponske ploče ne mogu iskoristiti svu Sunčevu energiju nego samo onu koja do njih dolazi u obliku elektromagnetskog zračenja određene valne duljine. Moć fotosinteze biljaka određena je valnom duljinom koju apsorbira klorofil, a ona se opet nalazi blizu maksimuma emisije crnog tijela ugrijanog na 5 500 oC, a to je upravo temperatura Sunca (5 760 K), točnije temperatura njegove kromosfere. Upravo zbog te i takve temperature Sunca biljake imaju zeleno lišće: da Zemlja kruži oko neke druge, plave ili crvene zvijezde, zelene biljke ne bi bile zelene.

Klorofil ne možemo zamijeniti drugim pigmentom (znanost još nije stigla do toga) no nešto se može učiniti za fotonaponske ploče da bi mogle bolje iskorištavati Sunčevu svjetlost. Način na koji se to već dugo pokušava učiniti temelji se na dugo poznatoj pojavi, pojavi fluorescencije ili, bolje rečeno, fotoluminiscencije. Fotoluminiscencija znači da (fotoluminiscentna) tvar apsorbira elektromagnetsko zračenje jedne, a emitira zračenje druge valne duljine. Ako bi se mogle napraviti fotonaponske ploče s pogodnom fotoluminiscentnom tvari, jednostavna je misao, moglo bi se iskoristiti i zračenje koje fotonaponska ploča ne može pretvoriti u električnu energiju. I evo jedne takve tvari – za kemičare prave poslastice.

Riječ je o tvari opisanoj u znanstvenom radu dvanaestorice kineskih i američkih znanstvenika koji je prošle godine osvanuo u časopisu Matter. Naslov mu je „Copper(I)-based highly emissive all-inogranic rare-earth halide clusters“. Dvije je stvari u naslovu važno uočiti. Prva je da je riječ o „visokoemitivnoj“ (highly emissive), dakle vrlo fotoluminiscentnoj tvari. Drugo je pak da je tvar potpuno anorganska (all-inorganic), tj. da ne sadrži organske spojeve. To bi joj trebalo jamčiti trajnost i termičku stabilnost. Tako i jest: tvar je stabilna do temperature od 250 oC.

Klaster [Cu2(ScCl6)3]7- okružen Rb+
Da čitatelja ne držim dalje u neizvjesnosti napisat ću formulu te tvari: Rb8CuSc3Cl18. Iz nje se vidi da osim metala iz skupine rijetkih zemalja (skandija, Sc) sadržava bakar (Cu) te alkalijski metal rubidij (Rb) uz halogeni element (halide) klor (Cl). Struktura joj je vrlo neobična. Svaki atom skandija okružen je sa šest atoma klora čineći „skandijski oktaedar“, [ScCl6]3-. Svaki pak atom bakra za se veže, dijeleći sa skandijem atom klora, tri takva oktaedra. Dva se atoma ili iona bakra, Cu+, drže skupa, te se vežu za tri ista skandijska oktaedra. Tako nastaje složeni ion, klaster (cluster) [Cu2(ScCl6)3]7-. Naboj (-7 e) tog iona (klastera) uravnotežen je rubidijevim ionima (Rb+) no i slobodnim ionima [ScCl6]3-. (Ako vam nije dosta kemije napomenut ću da mene ovdje najviše fascinira činjenica da je atom bakra okružen sa tri, a ne sa četiri atoma – kao u drugim spojevima Cu+.)

Fotoluminiscencija (PL) Cu,Sc-klastera
Cijela sam ovu priča oko strukture trebao ispričati da bi se razumjelo što se s ovim kemijskim spojem, Rb8CuSc3Cl18, dešava kada ga se obasja, točnije rečeno ozrači laserskom zrakom valne duljine 375 nm. Tu zraku apsorbira Cu+ i pri tome predaje elektron skandijskom oktaedru prelazeći u Cu2+. U skadnijskom oktaedru elektron prelazi iz viših u niža energijska stanja i pritom emitira više elektromagnetskih zračenja, ali ponajviše svjetlost od 473 nm. I sve to traje ne više od 20 nanosekunda.

Rezultat je, dakle, pretvaranje ultraljubičaste (λ = 375 nm) u plavu svjetlost (λ = 473 nm) i to s iskorištenjem od 8 %. (Analogni spoj itrija, Rb8CuY3Cl18, daje svjetlost valne duljine 493 nm s iskorištenjem 5 %.) Pet ili osam posto ne čini se mnogo, ali slična fotoluminiscentna tvar, CsPbCl6, mijenja valnu duljinu zračenja s iskorištenjem manjim od jedan posto. Usto CsPbCl6 sadržava olovo, otrovni metal koji bi mogao postati ozbiljan problem pri masovnoj proizvodnji fotonaponskih ploča, no i drugih uređaja temeljenih na novoj fotoluminiscentnoj tvari, poput svjetlećih dioda (LED) i fotodetektora.

Izvor

Continue Reading
Advertisement

Trending