Sposób otrzymywania hybrydowych materiałów węglowych zawierających związki oligoheterocykliczne


ZESPÓŁ AUTORSKI

Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

prof. dr hab. Jerzy P. Łukaszewicz

mgr Piotr Kamedulski

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Opracowano i zgłoszono do ochrony patentowej wynalazek dotyczący innowacyjnej metody otrzymywania węglowych podłoży i fotoczułych hybryd barwnikowych do zastosowania w konstrukcji ogniw fotowoltaicznych nowej generacji. By uniknąć wysokich kosztów, do uzyskania porowatego podłoża grafenowego jest stosowany powszechnie komercyjny grafit oraz autorska metoda strukturyzacji 3D eksfoliowanych płatków grafenowych. Odkryto, że modyfikacja nośników grafenowych/węglowych barwnikami oligotiofenowymi prowadzi do fotoczułych i stabilnych materiałów hybrydowych dla fotowoltaiki. Opracowana technologia, będąca przedmiotem wynalazku, pozwala na sterowanie parametrami powierzchniowymi i elektronicznymi otrzymywanych materiałów hybrydowych. Celem wynalazku jest uzyskanie wysokiej absorpcji promieniowania słonecznego, sprawnej konwersji energii słonecznej do energii elektrycznej z jednoczesnym zachowaniem niskich kosztów produkcji. Wynalazek zmierza do zastąpienia tradycyjnych dla fotowoltaiki materiałów krzemowych. Innowacyjność wynalazku polega na zastosowaniu całkowicie nowych surowców i materiałów.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania hybrydowych materiałów węglowych zawierających związki oligoheterocykliczne do tworzenia cienkiej oraz trwałej warstwy światłoczułej z wykorzystaniem w ogniwach fotowoltaicznych. W skonstruowanym mini ogniwie fotowoltaicznym na szkło przewodzące (FTO) naniesiona jest cienka, światłoczuła hybrydowa warstwa węglowa, którą z kolei pokrywa się warstwą materiału oligoheterocyklicznego. Istota wynalazku polega na praktycznym i wydajnym zastosowaniu grafenu 3D oraz związków organicznych do konstrukcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystujących zalety obu materiałów. Właściwości takie jak duża powierzchnia właściwa, struktura elektronowa oraz pożądane właściwości elektrokatalityczne są obiecujące dla zastosowania ich w konstrukcji ogniw DSSC jako elektrody zliczające oraz fotoanody. Wynalazek można rozszerzyć na użycie innych nośników węglowych (często bardziej dostępnych niż grafen) jak węgle aktywne, piany węglowe i nanorurki węglowe. Zaletą wynalazku jest prosta zaledwie kilkuetapowa technologia wytwarzania. Poprzez szeroko rozumiane modyfikacje grafenowego nośnika otrzymaliśmy struktury o pożądanej morfologii, właściwościach adsorpcyjnych i stabilności. Opracowana metoda, będąca przedmiotem wynalazku, pozwala na wytwarzanie przedmiotowych matryc grafenowych oraz materiałów hybrydowych na bazie grafenu, wykorzystuje zasady Zielonej Chemii, gdyż korzysta z surowców łatwych do utylizacji i w znikomy sposób oddziaływujących na środowisko naturalne. Potencjalny odbiorca technologii wytwarzania hybrydowych materiałów fotowoltaicznych w zminimalizowanym zakresie będzie oddziaływał na atmosferę, glebę i zasoby wodne. Obecnie większość systemów ogniw fotowoltaicznych wykonuje się z krzemu, ale materiał ten pomimo pewnych zalet, pozwala na budowę ogniw fotowoltaicznych o ograniczonej sprawności konwersji energii świetlnej na energię elektryczną. Czołowe laboratoria światowe pracują nad sprawniejszymi i alternatywnymi technologiami wytwarzania warstw światłoczułych, takimi jak perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne czy ogniwa barwnikowe typu DSSC. Opracowana i będąca przedmiotem wynalazku technologia zmierza do rozwiązania trzech problemów krzemowej technologii solarnej, a mianowicie zaawansowanie takich parametrów jak wydajność i stabilność oraz obniżenie kosztów produkcji. Ogniwa fotowoltaiczne oparte o perowskity mogą zrewolucjonizować energetykę solarną, ale obecnie mają szereg wad, które utrudniają ich komercjalizację: są niestabilne i szybko niszczą się po wystawieniu na powietrze lub ciepło. Porównując to z kolei z naszym wynalazkiem otrzymujemy możliwość regulowania struktury porowatej otrzymanych matryc, niski koszt wytworzenia i co więcej nie występuje znaczny ubytek masy surowca, co korzystnie wpływa na opłacalność produkcji materiałów. Zwłaszcza pożądaną cechą jest trwałość otrzymanego materiału. Wynalazek świetnie się wpisuje w światowe trendy produkcji energii. Ograniczenia związane z tradycyjnymi źródłami energii (emisja gazów cieplarnianych i wyczerpywalność zasobów), takich jak ropa naftowa, węgiel, gaz ziemny przyczyniają się do poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Obecnie instalacje ogniw fotowoltaicznych stają się coraz bardziej popularne na świecie. Co więcej, w Polsce w 2019 roku Ministerstwo Energii we współpracy z Ministerstwem Środowiska przygotowało program dofinansowania instalacji fotowoltaicznych „Mój Prąd”. Głównym celem programu jest zwiększenie produkcji energii z mikroźródeł fotowoltaicznych. Efektem pracy jest zgłoszenie patentowe (nr P.427144, z dnia 20.09.2018).

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Technologia jest adresowana dla firm zajmujących się produkcją ogniw fotowoltaicznych celem wspólnego podniesienia poziomu TRL z IV-V do IX. Wówczas będzie można mówić o pełnym wdrożeniu tak by instalacja nowego typu mogła wykazać korzyści dla środowiska jak dla poszczególnych użytkowników o różnej skali. Technologia może być oferowana dużej firmie jak również mniejszym firmom z sektora produkcji fotowoltaiki. Rosnąca świadomość ekologiczna Polaków oraz przystępne ceny mogą przełożyć się na wzrost zainteresowania nowym rozwiązaniem. Ogniwa słoneczne można spotkać w różnych miejscach, na dachach, farmach solarnych, ścianach budynków, czy jako elementy sygnalizacji świetlnych. Warto podkreślić, że jest to inwestycja o długoterminowym charakterze, okres żywotności paneli to min. 25 lat ze spadkiem sprawności nie większym niż 20%. Projekt zdobył srebrny medal na Targach iENA 2018 w Norymberdze. Obecnie jesteśmy na etapie poszukiwania firmy, która będzie zainteresowana naszym projektem.