Slunce je primárním zdrojem energie pro život na Zemi. Každou hodinu vyšle Slunce k Zemi 4,3 × 1020 J, což je více energie, než jaká je celková roční spotřeba lidstva (odpovídající odhadované spotřebě cca 13 TW). Člověk se snaží alespoň část dopadající energie využít pomocí solárních zařízení. Jedním z nejběžnějších solárních zařízení jsou sluneční kolektory ohřívající v mnoha domech teplou užitkovou vodu, případně pomáhající dům vytápět. Sluneční fotovoltaické články jsou další možností, jak využít slunečního svitu, tentokrát k výrobě elektrické energie. Až dosud byly nejrozšířenějsí krystalické křemíkové polovodičové solární fotovoltaické články, které byly vynalezeny před více než padesáti lety a v současnosti saturují 94 procent trhu. Jejich největší nevýhodou je relativně vysoká cena, která omezuje jejich široké využití. Zkoušejí se různé způsoby, jak zlevnit a zpřístupnit přímou cestu k elektrické energii vyráběné slunečními paprsky. Jednou z cest je organická fotovoltaika, kterou už Osel zmiňoval v článku: „Účinnější cesta od světla k elektřině a zpět“ . Další slibně se vyvíjející možností jsou barvocitlivé solární články (Dye-sensitized solar cells – DSSC). Jejich největším nedostatkem je zatím relativně nízká účinnost, s jakou dovedou přeměňovat světlo na elektřinu.
Barvocitlivé solární články poprvé přesáhly čtyřprocentní účinnost přeměny energie (power-conversion efficiency – PCE) na počátku devadesátých let minulého století. Tak se stalo, že na dlouhou dobu dostaly přednost účinnější křemíkové články. Barvocitlivé články DSSC byly přitom mnohem levnější a celkově jednodušší na výrobu, než jejich krystalické křemíkové protějšky. Levnější a snadnější výroba je důvodem, proč se nyní věnuje tolik úsilí jejich vývoji s cílem, co nejdříve dokončit vývoj a začít vyrábět nízkonákladové a vysoce účinné solární články. Na této cestě velmi pomáhá nanotechnologie.
Fotovoltaické články DSSC jsou podobné tradičním elektrochemickým článkům. Jejich základním konstrukčním prvkem jsou vysoce porézní elektrody s obrovskou specifickou plochou povrchu, v řádu 100 m2g-1, jejich póry mají průměr okolo 20 nm. Elektrody jsou vyrobeny z nanokrystalů oxidu titaničitého (TiO2) s tenoučkou vrstvou barevných molekul na povrchu. Když jsou tyto molekuly osvětleny, zachytí fotony a vygenerují elektrony a díry. Volné elektrony se okamžitě (během 100 fs) dostávají do TiO2 a jsou přeneseny na elektrodu. Regenerace barevných molekul je doprovázena zachycením elektronů z kapalného elektrolytu, který zcela vyplňuje mezery v porézní TiO2 elektrodě a je spojen s elektrodou opačné polarity.
Účinnost fotovoltaického článku závisí na účinnosti zachycování fotonů, které vytvářejí páry elektron-díra a dále na transportu elektronů. Nanokrystaly jsou rozhodující pro vytváření nanoporézních elektrod s žádoucí povrchovou plochou pro pohlcování světla barevnými molekulami. Čím větší je jejich povrch, tím více je na něm pohlcujících molekul a tím více fotonů může být zachyceno a vytvořeno více párů elektron-díra. Protože je v tomto materiálu vzdálenost, na kterou volný elektron dorazí, poměrně malá – pouhých 10 μm, vzrůstající tloušťka nanoporézní elektrody účinnost článku nijak nezlepší. Přimísení dalších submikronových částic sice může účinně zvýšit fotonovou „putovní“ vzdálenost uvnitř elektrody díky rozptylu světla, a tak zvýšit šanci na zachycení fotonu. Ale na druhé straně, začlenění dalších tak velkých částic vede ke snížení plochy povrchu, což se projeví v menším množství barevných molekul, zachycujících fotony. V důsledku toho je zvýšená účinnost, kterou přináší rozptyl světla, snižována menším počtem barevných molekul a výsledná účinnost článku se tak nezvyšuje.
Oxid titaničitý (TiO2) a oxid zinečnatý (ZnO) jsou polovodiče podobných vlastností se stejnou elektronovou strukturou, které jsou upřednostňovány pro výrobu porézních fotoelektrod pro DSSC. Oxid titaničitý je chemicky stabilnější, a proto byl pro tento účel častěji využíván. Ale oxid zinečnatý je charakterizován vyšší elektronovou mobilitou a je snazší a levnější na výrobu.
Nedávno byl vyroben DSSC s porézními elektrodami, vyrobenými z mikronových shluků (jakéhosi drobounkého „popcornu“) nanokrystalů ZnO a nanotyčinek TiO2. Bylo dosaženo významně zvýšené účinnosti. Nanokrystaly ZnO a nanotyčinky TiO2 zajišťují dostupnost požadované vysoké specifické plochy povrchu pro pohlcování světla barevnými molekulami, zatímco mikronové shluky slouží jako světelný rozptylovač bez obětování specifické plochy povrchu. Rozptýlení vede ve zvýšení PCE z 2,4 % u běžných porézních elektrod, vyrobených z rozptýlených krystalů ZnO s využitím červených N3 (ruthenium 535) barev na 5,4 % u elektrod vyrobených ze shluků nanokrystalů ZnO (při jinak identické konfiguraci)
Účinnost 6,2 % byla doprovázena modifikací povrchové chemie, zatímco zvýšení na 9,9 % bylo předvedeno při využití shloučených nanotyčinek TiO2 a fotoelektrod tmavě purpurové barvy - N719 (ruthenium 535-bis-tetrabutylamonium, „barevnou sůl“). Účinnost 9,9 % je ale stále nižší, než je doložený „rekord“ 11 % u TiO2 DSSC článků. A to zatím nebyla použita žádná běžně užívaná modifikace nebo stupňující procedura (antireflexní pokryv, adhezní vrstva a ošetření chloridem titaničitým) v „popcornovém“ fotovoltaickém článku, ačkoliv by kterákoliv z nich mohla zvýšit PCE až na 10 %. Je plánována další optimalizace shloučeného fotoelektrodového filmu a jeho zkombinování se škálou běžných ošetření k dosažení očekávaného PCE, překračujícího současný rekord účinnosti barvocitlivých fotovoltaických článků, který je 11 %.ˇ
Diskuze:
