Väriaineherkistetyt aurinkokennot ovat lupaava vaihtoehto fossiilisille polttoaineille. Tampereen teknillisen yliopiston tutkijoiden Royal Society Open Science -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan olisi mahdollista korvata niissä nykyisin käytetty titaanidioksidi edullisemmalla ja ympäristöystävällisemmällä sinkkioksidilla.
Michael Grätzel kehitti uudenlaisen, väriaineherkistetyn aurinkokennon 1990-luvulla ja käynnisti alan tutkimuksen uuden aallon. Grätzel sai keksinnöstään Millennium-teknologiapalkinnon vuonna 2010. Grätzel-kennoissa käytetään yleensä titaanidioksidinanopartikkeleita, mutta myös muita materiaaleja on tutkittu. Yksi lupaavimmista on sinkkioksidi, joka on runsaan saatavuuden ansiosta edullista. Kennojen fotoanodeja on helppo valmistaa ympäristöystävällisesti suuressa mittakaavassa.
- Titaanidioksidi on edelleen aurinkokennosovelluksissa yleisimmin käytetty materiaali. Sinkkioksidilla on lupaavia ominaisuuksia, mutta siitä valmistetut kennot eivät ole olleet yhtä tehokkaita. Halusimme selvittää miksi, sanoo professori Nikolai Tkachenko TTY:n kemian ja biotekniikan laboratoriosta.
– Etsimme ultranopean spektroskopian avulla keinoja, joilla sinkkioksidikennojen tehokkuutta voitaisiin nostaa yhtä hyväksi tai jopa paremmaksi kuin titaanidioksidikennojen.
Aikaerotteista ultranopeaa spektroskopiaa (ultrafast transient absorption spectroscopy) tarvitaan, koska aurinkokennon sisällä tapahtuvat valokemialliset reaktiot ovat erittäin nopeita. - Havaitsimme, että fotoelektronit siirtyvät väriaineesta puolijohteeseen nopeammin titaanidioksidissa kuin sinkkioksidissa. Useissa kansainvälisissä tutkimuksissa on raportoitu vastaavia tuloksia, kertoo aiheesta väitöstutkimusta tekevä Kirsi Virkki.
Aurinkokennossa elektronit siirtyvät ulkoiseen piiriin puolijohdemateriaalin läpi. Mitä pidempi elektronien keskimääräinen vapaa matka puolijohteessa on, sitä todennäköisemmin ne pääsevät ulkoiseen virtapiiriin ja tuottavat sähköä. Jos elektronit jäävät loukkuun puolijohteeseen, ne yhtyvät ennen pitkää orgaaniseen väriaineeseen eikä sähköä muodostu.
– Yllätyimme huomatessamme, että titaanidioksidinäytteissä tämä elektronien rekombinaatio väriaineeseen tapahtui nopeammin kuin sinkkioksidinanopilareissa, sanoo Virkki.
Yksi havainnon mahdollinen selitys liittyy näytteiden rakenteeseen. Tutkijoiden sinkkioksidinäytteet koostuvat pitkistä, yksikiteisistä nanoputkista. Titaanidioksidinäytteet muodostuvat yksittäisten nanopartikkelien verkostosta, jolloin elektroni jää helpommin ”jumiin” nanohiukkasen sisään ja yhdistyy orgaaniseen väriaineeseen tuottamatta sähköä.
– Rekombinaatio tapahtuu sinkkioksidikennoissa hitaammin, mutta käytäntö on osoittanut, että titaanioksidikennoissa elektronien elinaika on kuitenkin riittävä tehokkaaseen sähköntuotantoon. Titaanidioksidiin perustuvia kennoja on tutkittu enemmän, mutta huolellisella suunnitelulla olisi täysin mahdollista valmistaa erittäin tehokkaita aurinkokennoja sinkkioksidista, Virkki sanoo.
Tutkimustulokset julkaistiin tieteellisessä Royal Society Open Science -lehdessä.
