Sluneční články s grafenem využijí pro tvorbu energie i padajícího deště
Jeden ze základních problémů solárních elektráren spočívá v tom, že dodávají do sítě energii jen tehdy, když je slunečné počasí, tj. jasná obloha. Ale co když se obloha zatáhne a začne pršet? Tento problém se rozhodli řešit čínští vědci ve své studii pro mezinárodní odborný časopis Angewandte Chemie.
Princip nově navržených solárních článků z grafenu spočívá tom, že dešťové kapky neobsahují jen vodu, ale také různé rozpuštěné soli, přesněji řečeno jejich ionty. Voda jakožto polární kapalina (molekuly vody mají výrazný elektrický dipólový moment) v ní obsazené soli štěpí (disociuje) na kladné a záporné ionty.
Tým z čínské Ocean University v městě Čching-tao se rozhodl při získávání energie využít jednoduché elektrochemické reakce, která vzniká při účasti těchto iontů. Jejich studie je konkrétně založena na faktu, že jednoatomová (prakticky dvourozměrná - 2D) vrstva grafenu obsahující elektrony umí z dešťových kapek oddělit kladně nabité ionty, jako jsou např. sodík, vápník a čpavkový iont (NH4), a zadržet je.
Grafen je speciální uhlíková nanostruktura, která je uspořádána na úrovni jednotlivých atomů v měřítku nanometrů. Připomíná velmi jemné šestiúhelníkové a pravidelně srovnané pletivo, v jehož uzlech se nacházejí jednotlivé atomy uhlíku. Tloušťka této jednoatomární vrstvy činí jen asi jednu třetinu nanometru. Mezi zajímavé vlastnosti grafenu patří jeho vynikající mechanické, elektronické, tepelné a optické vlastnosti, které otevírají cestu k novým špičkovým výrobkům a aplikacím, ať už jde o přenos informace, transformaci různých forem energie mezi sebou nebo o různé senzory.
Výzkumníci vyzkoušeli účinnost tohoto procesu v laboratoři, když simulovali déšť pomocí dopadajících kapek slané vody. Za tímto účelem připravili speciální avšak levný typ pružných a tenkých solárních článků, zvaný “barvivem zcitlivěné solární články” (dye-sensitised solar cells), který byl rozprostřen na podkladu ze slitiny oxidu inditého a cíničitého (indium tin oxide - ITO) a plastu a který byl následně pokryt tenkou vrstvou grafenu.
Pokud jde o účinnost přeměny solární energie na elektrickou, články vykázaly slušnou míru konverze ve výši 6.5%. Pokud jde o elektrické napětí, vybuzené padáním kapek slané vody, zde výzkumníci naměřili napětí v řádu stovek mikrovoltů.
Jak toto napětí vzniká? Podle čínských vědců se kladné ionty navážou na jednoatomární vrstvu grafenu, která sama o sobě obsahuje záporně nabité elektrony. Vznikne tak elektricky polarizovaná dvojvrstva s vlastnostmi tzv. pseudokondenzátoru, který generuje dostatečné elektrické napětí a vyvolá tak pohyb elektrických nábojů, tedy elektrický proud.
Celá technologie je sice zatím jen v prvotním stadiu, kdy jde o prověření základní funkčnosti principu, ale čínští vědci věří, že jejich experimenty postupně přerostou v návrh technologicky a ekonomicky schůdného řešení. Především bude nutno příslušné solární články přizpůsobit různým druhům iontů, které se nacházejí ve skutečné dešťové vodě, a brát také v úvahu jejich typicky nízké koncentrace.
Zdroje: Angewandte Chemie, ScienceAlert, ZeeNews, Futurism, Gizmag, IEEE Spectrum
