Convorbire cu dr. Mihai Mihăilă, membru corespondent al Academiei Române
Este cert, resursele energetice sunt din ce în ce mai puține, a început, ca să spunem așa, numărătoarea inversă… Dintre resursele regenerabile până acum cele mai folosite sunt cele solară, eoliană și a valurilor în care se pun multe speranțe. Tocmai v-ați întors de la Uppsala unde ați participat la Conferința internațională de celule fotovoltaice hibride și organice. Ce sunt celulele hibride și organice, știind că frecvent se vorbește de celulele solare care folosesc siliciu?
Celulele solare sunt dispozitive care convertesc energia solara în energie electrică. În celulele solare organice intră doar materiale organice, cum sunt polimerii, iar în cele hibride se folosesc atât materiale organice, cât și anorganice. In acest ultim tip de celula se plasează și celulele pe baza de pigmenți. In 1991, profesorii O’Brian și Grätzel au publicat o lucrare în revista „Nature“ în care demonstrau că o asemenea celulă poate avea un randament de peste 7%, ceea ce atunci era spectaculos.
Cum arată o asemenea celulă?
În esență, celula cuprinde trei elemente: un conductor pentru electroni, anodul, care în general este un oxid metalic (în principal oxidul de titan, dar și din alte elemente), catodul care este un electrolit, în care se află un cuplu redox, un material capabil sa cedeze un electron. Alte materiale pentru catod pot fi anumiți polimeri care pot conduce curentul electric, dar și alte materiale, cum ar fi așa-numitele molecule mici. Cromoforul se prinde chimic de anod printr-o operație care se numește funcționalizare. Cromoforul se afla, așadar, între anod și catod și, așa cum îi spune și numele, este cel care absoarbe fotonii, radiația solară. Sub acțiunea acesteia, electronii cromoforului trec într-o stare excitată. Un astfel de electron trece în banda de conducție a anodului. Pentru reluare procesului de absorbție, cromoforul trebuie să revină în starea inițială. Aceasta revenire se face prin captura unui electron de la electrolit. Dacă, spre exemplu, cromoforul captează electronul de la anod, și nu de la electrolit, atunci randamentul celulei scade. Deși destul de dificil, prin design molecular, aceste procese pot fi controlate.
Față de celulele cu siliciu folosite deja frecvent, care sunt avantajele care ar justifica înlocuirea lor?
În principiu, nu se pune problema înlocuirii celulelor cu siliciu. Noile celule sunt văzute, în acest moment, ca o alternativă la celulele cu siliciu, față de care ar putea avea un preț mai mic. În plus, materialele care se folosesc sunt simple și nu implică procese chimice deosebite. Mai este un aspect important din punct de vedere fizic. În timp ce în celulele cu siliciu procesele se realizează simultan și optimizarea se poate face numai la nivelul întregului sistem, în cazul celulelor hibrid și organice, materialele care transporta electronii și golurile sunt diferite și, intre anumite limite, pot fi optimizate separat.
Ar mai fi problema randamentului.
Din acest punct de vedere, în momentul de față, celulele cu siliciu sunt mai bune decât cele hibride și organice. Astfel, pentru celulele cu siliciu, randamentul este de 18-20% și, în unele aplicații, chiar mai mult. În ceea ce privește celelalte celule, cam de un deceniu s-a ajuns la o anumită saturație, cu aproximație 11%. Se vorbește de o schimbare de paradigmă deoarece pentru a fi competitiv, acest tip de celulă trebuie să treacă de 15%.
Ce șanse sunt?
La Conferința la care am participat s-au discutat aspecte legate de procesele fizice și chimice fundamentale din aceste celule, precum și cele legate de tehnologia de fabricație. S-a ajuns la concluzia ca dacă s-ar putea realiza cromofori care, în comparație cu cei care există acum, să absoarbă mai mult în infraroșu, atunci randamentul ar putea ajunge la 15%, fără modificări importante în ceea ce privește celelalte componente ale celulei.
Mai este și problema „îmbătrânirii“ acestor celule. Ce înseamnă?
Până acum s-au făcut celule cu un randament de peste 13%, dar problema care se pune este ca aceste celule să fie stabile un timp cât mai îndelungat. În acest context, vorbim de fenomenul de îmbătrânire. Din acest motiv, după fabricația în laborator se intră în faza de pilot și se testează pentru a se vedea în ce măsură rezistă.
Din câte știu, siliciul este foarte bun sub acest aspect.
E adevărat. Dar există chiar acum celule pe bază de pigmenți care, testate, au arătat că pot rezista două decenii fără probleme sau cu mici modificări.
Ca preț, sunt mai ieftine?
Încep să fie mai ieftine.
Alte avantaje?
Fabricația lor este relativ mai ușoară, dar ceea ce îmi spune că vor fi de succes este faptul că în ultimii doi ani s-au făcut progrese foarte importante.
?ê?£i tot ar mai fi o problemă. Siliciul se găsește în cantități foarte mari, dar substanțele de care ați vorbit sunt dintre cele rare – titan, ruteniu, cobalt. Nu e prea scumpă procurarea lor?
Aveți dreptate. Aici sunt două aspecte: unul legat de raritatea acestor elemente și altul de epuizabilitatea lor inevitabilă. În consecință, se caută cromofori organici.
Ar fi varianta ideală?
Ar fi varianta ideală pentru că sunt mai buni absorbanți în comparație cu cromoforii pe bază de ruteniu.
?ê?£i din punct de vedere ecologic?
Nu par a fi probleme.
Sunt și alte căutări?
Exista un număr enorm de încercări în toata lumea. După cum arată lucrurile acum, cromoforul este cheia creșterii eficienței celulelor pe baza de pigmenți.
În ce bandă absoarbe cel mai mult?
Absoarbe începând de la marginea ultravioletului până în infraroșu. În funcție de structura chimică, cromoforul prezintă maxime de absorbție la anumite frecvente. Cum spuneam, ideal ar fi să absoarbă cat mai mult în infraroșu.
Cum se procură acești pigmenți?
Mulți se găsesc deja pe piață. Dar, dacă vrei să faci ceva deosebit trebuie să-ți gândești singur pigmentul, adică să faci un design de moleculă. Acum, aici e marea competiție în lume și în fiecare zi apar pigmenți noi. E una dintre marile bătălii din acest domeniu. Dacă se va reuși să se facă un cromofor care să absoarbă la lungimi de undă mai mari, atunci, cu siguranță, se va străpunge bariera de 15% randament.
Deci, până la urmă, competiția este pentru randament.
Da, și aici absorbția cromoforului are un rol fundamental. Dacă absorbția este slaba, randamentul este mic, dacă este bună, către lungimi de undă mai mari, și randamentul este pe măsură.
Bun, rămâne dependența de lumină.
Da, funcționează chiar la o iluminare mai slabă, nu e neapărată nevoie să fie soare.
Cu același randament?
Sunt situații în care randamentul e chiar mai bun. In acest sens, cel mai bun exemplu de celulă este cea realizată de grupul profesorului Grätzel și publicată anul trecut, în noiembrie, în revista „Science“.
Este energia solară preferabilă față de cea eoliană sau a valurilor?
Eu cred că ele pot merge mână în mână și, în funcție de condițiile locale, se va putea adopta un sistem sau altul. Depinde de anotimp, de condițiile fiecărei zone, etc.
Există riscuri?
Nu, nu există, nu se pot întâmpla accidente ecologice, această tehnologie este una „verde“ (green).
Dezavantaje?
Ar fi faptul că sistemul nu este permanent funcțional, din cauza alternanței zi/noapte.
Energia nu se poate stoca încă. Sunt alte soluții?
Ar fi extraordinar ca energia să poată fi stocată, nu este exclus ca așa ceva sa apară relativ repede. Ca alternativă, a fost avansată ideea ca, în momentul în care un producător mic de energie solară nu are nevoie de aceasta, să o transfere în rețeaua clasică. Acolo, consumul se poate reduce pe seama câștigului din energia solară și, la nevoie, se face transferul invers.
E ca un troc.
Da, iar în momentul când nu se mai poate produce energie solară, o furnizează sistemul clasic. De altfel, trebuie spus că se merge pe ideea stimulării producătorilor individuali. Oricare dintre noi poate avea acasă panouri solare pentru satisfacerea nevoilor zilnice. Acest sistem ar putea fi conectat la rețeaua clasică de energie produsă de termo sau hidrocentrale și, la nevoie, să se poată face comutarea de la un sistem la altul.
Dar dincolo soluțiile actuale, credeți că se va descoperi o nouă formă de energie, acel al treilea Prometeu de care vorbea savantul Nicholas Georgescu-Roegen?
Nu știu, dar în știință pot să apară surprize enorme, de cele mai multe ori atunci când ne așteptam mai puțin. Mă gândesc că ar fi posibil să apară ceva din domeniul nanotehnologiei.
Elena Solunca Moise
