Hiilimateriaali korvaa kalliit metallit aurinkokennoissa

Aalto-yliopiston tutkija Kerttu Aitola onnistui väitöstyössään ensimmäisenä maailmassa korvaamaan kolmannen sukupolven au-rinkokennojen kalleimmat komponentit yksinkertaisella hiilinano-putkirakenteella.

Auringon ehtymätöntä energiavarantoa muunnetaan nykyisin sähköksi piistä valmistetuilla aurinkokennoilla. Tulevaisuuden vaihtoehto kalliille piiaurinkokennoille on keinotekoiseksi fotosynteesiksi kuvattu väriaineherkistetty aurinkokennoteknologia (Dye-sensitised solar cell, DSC). Vuoden 2010 Millennium-teknologiapalkinnon voittaja valmistetaan edullisista materiaaleista, eikä tuotantoon tarvita monimutkaisia laitteita.

Aalto-yliopiston tutkijat onnistuivat korvaamaan kolmannen sukupolven aurinkokennojen kalleimman osan, kennojen vastaelektrodin, uudella hiiliyhdisteellä, hiilinanoputkilla. Hiilinanoputkista valmistettu kalvo myös yksinkertaistaa aurinkokennojen rakennetta.

− Hiilinanoputket toimivat samalla sekä virrankeräimenä että elektrolyytin hapetus-pelkistysreaktion katalyyttinä, kertoo tutkija Kerttu Aitola.

Aurinkokennoihin lasin sijaan taipuisa muovialusta

Nykyisin DSC-kennojen vastaelektrodissa on tarvittu kahta eri aktiivista materiaalia, platinakatalyyttikalvoa sekä johtavaa indiumtinaoksidipintaa auringonsäteiden synnyttämän sähkövirran keräämiseen. Ne eivät ole taipuisia ja sisältävät kalliita, harvinaisia metalleja.

Aalto-yliopiston tutkijat käyttivät aurinkokennoissa lasin sijasta taipuisaa muovialustaa.

− Hiilinanoputkikalvo kiinnitetään alustalle painamalla, Aitola kertoo.

Lopputuloksena on taipuisa, kokonaan hiiliyhdisteistä valmistettu väriainekennon vastaelektrodi, jonka suorituskyky on yhtä hyvä kuin nykyisillä platinaa ja indiumia sisältävillä elektrodeilla. Taipuisa muovialusta mahdollistaa painomenetelmien käytön kennojen valmistuksessa. Teollisten rullalta rullalle -menetelmien hyödyntäminen kennojen valmistuksessa on edellytys halvalle hinnalle.

Aitola vertaili väitöskirjassaan eri hiilinanomateriaalien toimivuutta aurinkokennojen vasta-elektrodina. Aurinkokennot ovat uusi sovelluskohde hyvin sähköä johtaville, taipuisille ja vahvoille hiilinanoputkille. Vuonna 1991 löydettyä materiaalia käytetään nykyisin esimerkiksi jääkiekkomailojen vahvikkeena. Testatut hiilinanoputket valmisti Aalto-yliopiston NanoMaterials -ryhmä omassa laboratoriossaan. http://tfy.tkk.fi/nanomat/

− He ovat maailman huippua hiilinanoputkien valmistuksessa, Kerttu Aitola kertoo.

Parhaaksi materiaaliksi osoittautui satunnaisesti järjestäytyneistä yksiseinäisistä hiilinanoputkista muodostuva kalvo muovialustalla. Kalvon katalyyttisyyttä parannettiin johtavalla polymeeripinnoitteella. Uudella elektrodirakenteella on vielä eräs hyvä ominaisuus.

− Tästä näkee läpi, Aitola esittelee vahvasti tummennetun autonikkunaa muistuttavaa aurinkokennoa.

Ominaisuus on hyödyllinen, jos esimerkiksi ikkunapinnat halutaan valjastaa sähköntuotantoon.

Suurin pullonkaula uuden hiilirakenteisen aurinkokennon valmistuksessa on yksiseinäisten hiilinanoputkien valmistus. Se onnistuu laboratoriossa, mutta teollista valmistusta ei vielä ole olemassa.

Tutkimus jatkuu Kiinassa

Aitola jatkaa aurinkokennotutkimustaan postdoc-tutkijana ruotsalaisen Kungliga Tekniska Högskolan KTH:n palkkalistoilla Kiinassa, Dalianin teknillisessä korkeakoulussa.

− Yritämme tehdä siellä kennon, jonka molemmat elektrodit ovat muovialustalla. Väitöstutkimuksessa kennon etupuoli oli vielä käytännön syistä tehty lasille, Aitola kuvaa.

Hän testaa uutta hiilinanoputkirakennetta myös entistä suorituskykyisemmillä kennomateriaaleilla. DSC-kennojen heikkoutena on pidetty niiden pitkäaikaiskestävyyttä. Nesteen sulkeminen kymmenien vuosien ikäisiksi suunniteltujen aurinkopaneelien sisään arveluttaa myös tutkijaa.

− Aiomme korvata nestemäisen elektrolyytin kiinteällä johtavalla polymeerillä, Aitola kertoo tutkimussuunnitelmistaan.

FM Kerttu Aitolan teknillisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Carbon nanomaterials as counter electrodes for dye solar cells tarkastettiin 25.5.2012 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa. Vastaväittäjänä toimi professori Seigo Ito, University of Hyogo, Japani.

Väitöskirja
Carbon nanomaterials as counter electrodes for dye solar cells (pdf)

Lähde: Aalto-yliopisto
Kuva: Kuvakaappaus

0 kommenttia:

Lähetä kommentti