I dette blogindlæg undersøger vi mulighederne for farvefølsom solcelleteknologi til at generere miljøvenlig energi, mens vi slapper af på en varm forårsdag.
Det er den tid på året igen, og det sidste, du har lyst til at gøre, er at sidde på arbejdet og lytte til, hvordan din chef nager dig. Vi ville alle elske at være ude i solskin, iført farverigt tøj og nyde en forårsudflugt. Men ak, vi skal arbejde for at tjene penge, og vi har brug for dem for at leve. Hvad hvis du kunne tjene penge, mens du havde en sjov forårsferie? Du kan klæde dig ud, have det sjovt med at gå rundt om Han-floden og ringe til din chef og fortælle dem, at du er ude af byen. Du synes måske, det lyder skørt, men der er en teknologi, der kan få det til at ske. Det kaldes farvesensibiliseret solcelleteknologi. Som navnet antyder, bruger denne teknologi farvestoffer til at absorbere lysenergi fra solen og omdanne den til elektrisk energi.
Farvesensibiliserede solceller ses primært som en grøn energiløsning. Sammenlignet med konventionelle solceller kan farvesensibiliserede solceller fremstilles til en relativt lav pris og kan laves i en række forskellige farver og transparenter, hvilket er fordelagtigt til bygningers udvendige design. De har også den fordel, at de kan fungere i lavt lysniveau, hvilket gør dem effektive i indendørs miljøer. Disse fordele gør farvefølsomme solceller til en bæredygtig fremtidig energiteknologi.
Den farvefølsomme solcelle kan opfattes som en tredelt struktur. De tre dele er den del, der modtager lyset, den del, hvor elektroner overføres og energi produceres, og den del, der returnerer de overførte elektroner til den oprindelige tilstand, så cellen kan fortsætte med at arbejde. Lad os se på strømmen af lysenergi fra solen. Først rettes sollys mod farvestofmolekylerne i solcellen. Når farvestofmolekylerne absorberer lysenergien fra solen, absorberer elektronerne i farvestofmolekylerne den og bliver meget energiserede eller "ophidsede". Disse ophidsede elektroner bevæger sig derefter gennem solcellens kredsløb og producerer elektrisk energi. De exciterede elektroner rejser derefter til metaloxidet, der er knyttet til farvestofmolekylet. Denne samling af farvestofmolekyler og metaloxider kaldes lysabsorberen. Da dette er en vigtig del af processen, der direkte modtager lys, har den flere egenskaber. For det første har forskellige materialer forskellige energioptagelsesevner, så vi skal bruge farvestoffer med unikke energibånd, der kan absorbere solenergi godt. Du bliver også nødt til at øge overfladearealet af metaloxidet, der er dækket af farvestofmolekylerne, for at modtage mere sollys. Det er derfor, vi bruger en struktur med mange mikroskopisk små korn frem for en flad overflade.
Lad os nu følge energistrømmen igen. De exciterede elektroner, der overføres til metaloxidet ovenfor, ledes til en elektrode, der støder op til metaloxidet. Du kan tænke på disse elektroder som + og – siderne af en almindelig celle. Elektronerne, der kommer til arbejdselektroden, bevæger sig gennem et kredsløb, der er forbundet til ydersiden af elektroden, og bevæger sig langs kredsløbet til modelektroden på den anden side af cellen. Når den bevæger sig gennem dette kredsløb, skaber den en potentialforskel mellem de to elektroder, hvilket reducerer elektronens energi med den mængde arbejde, den har udført, hvilket skaber elektrisk energi svarende til den reducerede energi. Du kan tænke på, at dette ligner de celler, du ser omkring dig, og som har en potentialforskel på et par volt på tværs af enderne. Da disse elektroder også er involveret i elektronernes bevægelse, kan de være lavet af, hvad vi normalt ville tænke på som stærkt elektrisk ledende materialer, nemlig metaller.
Nu det sidste skridt. Når elektronerne endelig ankommer til den anden elektrode, skal farvestofmolekylet igen forsynes med elektroner. For at gøre dette er der et elektrolytlag mellem modelektroden og metaloxidet. Dette elektrolytlag leverer elektroner til farvestofmolekylerne for at udfylde de tomrum, der er efterladt af elektronerne i farvestofmolekylerne, der er rejst væk. I elektrolytlaget bliver de elektroner, der er negativt ladede, ledige og parres med virtuelle + partikler, kaldet huller, i elektrolytlaget. Det er praktisk at tænke på det som elektronen med – ladningen undslipper og efterlader + ladningen. Hullet kombineres med en elektron, der har nået den anden elektrode og vender tilbage til sin oprindelige position, dvs. neutral. Det elektrolytlag, der er egnet til denne proces, er normalt jod, et stof, der gør det nemt for elektroner og huller at bevæge sig og kombinere. Denne sekvens af processer giver mulighed for kontinuerlig produktion af elektrisk energi, forudsat at lysenergi tilføres kontinuerligt.
Farve-sensibiliserede solceller er endnu ikke effektive nok til at være nyttige i det virkelige liv. Effektiviteten af det modtagne lys og den producerede elektricitet er ikke høj nok. Det, der dog får denne farvefølsomme solcelle til at skille sig ud fra andre solceller, er, at den bruger farvestoffer til at absorbere lys, hvilket betyder, at cellen selv antager farven af farvestoffet, så hvis den bruges til opførelse af bygninger og andre strukturer, vil det være en banebrydende teknologi, der kan generere solenergi og samtidig forskønne det ydre. Denne teknologi vil være nyttig, efterhånden som det menneskelige samfund udvikler sig, og efterhånden som flere og flere strukturer dækker jorden. Hvis elektrodedelen nævnt ovenfor ikke er lavet af metal, men af et specielt plastmateriale, der er fleksibelt og i stand til at overføre elektroner, vil det være muligt at indlejre cellerne i det farverige tøj, vi har på, som nævnt i begyndelsen af denne artikel. Med andre ord, selv når vi nyder en afslappet spadseretur, vil elektronerne i vores tøj fortsætte med at rejse og generere energi.
Fremskridt inden for farvesensibiliseret solcelleteknologi åbner nye muligheder for mange mennesker. For eksempel kan denne teknologi være til stor hjælp i landbrugssektoren. Ved at installere farvefølsomme solceller i et drivhus til dyrkning af afgrøder kan du ikke kun effektivt udnytte sollys til at drive drivhusets indre, men også holde drivhuset smukt. Denne teknologi kan også spille en vigtig rolle i at beskytte miljøet. Det kan være med til at reducere brugen af fossile brændstoffer og bidrage til at løse problemet med global opvarmning gennem ren energi. Med så store anvendelsesmuligheder har farvefølsom solcelleteknologi al mulig grund til at blive forsket.
Endelig kræver farvesensibiliserede solcellers kommercielle succes ikke kun forskning for at øge deres effektivitet, men også en indsats for at sænke deres produktionsomkostninger. I øjeblikket eksperimenterer mange forskere med forskellige farvestoffer og materialer for at øge effektiviteten, og disse bestræbelser bærer gradvist frugt. Forhåbentlig vil farvefølsomme solceller blive mere udbredt og blive en vigtig energikilde i vores dagligdag.
