 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Oláh György Doktori Iskola
BME-VBK, Szerves Kémia és Technológia Tanszék
Témavezető: Dr. Faigl Ferenc
Színezék-érzékenyített napelemcella: egy ígéretes esély a jövőnek
A kutatási téma néhány soros bemutatása
Kutatómunkánk célja fluorazon egységet tartalmazó szervesszínezék-molekulák szintézise volt, melyeket eredményesen, hatékonyan állítottunk elő, és külföldi együttműködés keretében sikeresen teszteltünk színezék-érzékenyített napelemcellában (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC). Így egy újfajta szerkezetet alkalmaztunk sikerrel DSSC rendszerben.
A kutatóhely rövid bemutatása
A BME Szerves Kémia és Technológia Tanszékének Kirotechnológiai és Fémorganikus Kutatócsoportjában Dr. Faigl Ferenc munkásságával kezdődtek meg a különböző aromás és heteroaromás egységet tartalmazó vegyületek fémorganikus reagensekkel történő reakcióinak vizsgálata, illetve konjugált rendszert tartalmazó színezékmolekulák előállítása. Csoportunk szorosan együttműködik az MTA-val, illetve az előállított színezékek napelemcellában történő tesztelése a firenzei Szerves Kémiai Intézettel (CNR-ICCOM) együttműködésben történt.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
Az emberiség napjainkig megoldatlan egyik problémája a nem megújuló energiahordozók kiváltása tiszta és fenntartható energiaforrások segítségével. A tudomány fejlődésével újabb és újabb technológiák jelennek meg, amelyek egyre hatékonyabban képesek átalakítani a természetben előforduló különböző energiákat általunk is hasznosítható és tárolható formába. [1]
A napenergia az egyik legígéretesebb energiaforrás, melyet számos módon hasznosíthatunk: passzívházak építésével, a napenergia átalakításával hőenergiává, elektromos energiává, illetve tárolhatjuk termokémiai módon. A Földön található és kitermelhető összes kőolajkészletben lévő energiát a Nap másfél nap alatt sugározza a Földre. A teljes emberiség jelenlegi, egyévi energiafogyasztását a Nap egyórányi energiakibocsátása teljes egészében fedezné. Ezért hatalmas erőfeszítéseket fordítottak nagy hatékonyságú technológiák kifejlesztésére, és a legjobb eredményeket a napenergia elektromos energiává való alakításával érték el. Így a fotovoltaikus (napelemes) rendszerek kifejlesztésére külön iparág alakult ki, és 1954-ben már be is mutatták a szilícium-félvezetőn alapuló első napelemet, napjainkban pedig már naperőművek termelik az elektromos áramot (1. ábra/a).
A cellák legnagyobb hátránya a magas áruk, aminek két fő oka az előállításuk energia- és csúcstechnológia-igénye, továbbá hogy kizárólag napsütésben képesek működni, és csak a napsugarak megfelelő beesési szöge esetén érhető el velük magas hatásfok. [2]
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
A hátrányok kiküszöbölése érdekében folytatott kutatások az úgynevezett harmadik generációs, szerves színezékekkel érzékenyített napelemek (DSSC) megjelenését eredményezték. Grätzel és O’Regan 1991-ben publikáltak egy új felépítésű napcelláról, amelynek az alapja egy félvezető TiO2 nanorészecskékkel bevont lemezre felvitt, fényérzékeny ruténiumtartalmú szerves komplex, egy szervesszínezék-molekula (1. ábra/b). [3]
1. ábra/a: Naperőmű az andalúziai fennsíkon, b: Grätzel az általa feltalált napcellával
Ezek a cellák a természetből ellesett módon valamilyen szintetikus úton előállított vegyületet alkalmaznak a Nap sugárzásának elektromos energiává történő átalakítására. Hasonlóan a természetben lejátszódó fotoszintézishez, az abszorpcióért felelős klorofillpigment működését másolták le, és egyfajta mesterséges fotoszintézist valósít meg a napcellában lévő szerves színezék (2. ábra). [4]
2. ábra: A DSSC napelemcellák működése
A nemesfémtartalmú komplexek mellett megjelentek a fémmentes szerves színezékek, amelyek számos előnnyel rendelkeznek: sokkal nagyobb számú és változatosabb szerkezetek alakíthatók ki, előállításuk kevesebb költséggel és környezeti terheléssel jár, valamint kedvezőbb a moláris abszorpciós koefficiensük. Általánosan ezek a molekulák úgynevezett D-π-A szerkezetűek, vagyis donor-π–híd-akceptor felépítésűek.
Csoportunk egy olasz kutatócsoporttal együttműködve a DSSC napelemek kutatásával kezdett el foglalkozni. Számításos kémiai módszerekkel modelleztük, hogy mely szerkezetek lehetnek megfelelőek egy ilyen rendszerben. Az elvégzett kvantumkémiai számításokkal tervezett arilpirrol vázon alapuló színezékmolekula egy donor, egy a π–híd szerepét betöltő linker és egy akceptor részből áll (D-π-A rendszer, 3. ábra).
Kutatási célul a színezék totálszintézisét tűztük ki, majd a színezék DSSC rendszerben való vizsgálatát, hogy megállapítsuk a létrehozott cellával elérhető hatásfokot.
Módszerek
A vegyületek előállítását modern, környezetbarát preparatív szerves kémiai módszerekkel végeztük. A fémorganikus reakciókhoz használt oldószereket használat előtt víz- és peroxidmentesítettük, a reakciók kivitelezése alatt az inert atmoszférát Schlenk-technikával biztosítottuk, a reakciókat Schlenk-csövekben hajtottuk végre. Inert gázként száraz argont, illetve nitrogént használtunk. A 0 °C-on végrehajtott reakciókat jeges vizes hűtés segítségével hajtottuk végre, -75 °C-on kivitelezett reakciók hűtését szárazjég acetonos oldatával oldottuk meg. Az anyagok tisztaságát vékonyréteg-kromatográfiával ellenőriztük. Az anyagok tisztítására oszlopkromatográfiát, illetve átkristályosítást alkalmaztunk. Az oszlopkromatográfiás elválasztásokat úgy valósítottam meg, hogy körül-belül 1 g anyaghoz 20 g szilikagélt (Kieselgel 60 G, Merck) használtam. A bepárlásokat a légköri nyomásnál kisebb nyomáson végeztük. Az előállított vegyületek szerkezetét mágneses magrezonancia spektroszkópiával (NMR), infravörös spektroszkópiával (IR), illetve nagy felbontású tömegspektrometriával (MS) azonosítottuk.
A színezékmolekulák optikai és elektrokémiai elemzését UV/Vis abszorpciós spektroszkópia segítségével végeztük nanokristályos TiO2 filmre történő abszorpciót követően. Meghatároztuk a molekulák oxidációs potenciálját (Eox) ciklikus voltammetria segítségével. Az Eox értékek meghatározását az anód és a katód csúcspotenciáljának az átlagolásával kaptuk.
Az optikai és elektrokémiai vizsgálatok eredményeinek megértéséhez számítógépes analízist végeztünk a Gaussian 09 programcsomag segítségével, majd a számított értékeket összehasonlítottuk a mért értékekkel.
A napelemcellában előállított színezékeket széles sávú szervetlen félvezető (TiO2) érzékenyítésére, így a látható fény abszorpciójára teszteltük: a fotogerjesztett színezék egy elektront ad át a félvezető vezetési sávjába.
A cella összeszereléséhez egy fotoanódot készítettünk: felvittük a blokkoló TiO2 réteget a vezetőüveg-felületre (FTO-üveg). Ezt követően az adott színezék oldatába mártottuk az érzékenyített elektródot. Az ellenelektród esetében az üveglapba lyukat fúrtunk, majd feltöltöttük elektrolittal, és platina réteget porlasztottunk a vezető oldalra, végül hőkezeltük. Ezután a cellaszerkezetet úgy hoztuk létre, hogy a fotó- és az ellenelektródot SurlynR tömítő töméssel összeillesztettük, majd vákuum alatt fúrt lyukon keresztül jodid/trijodid redox párt tartalmazó elektrolittal feltöltöttük.
Eddigi eredmények
A D-π-A felépítésű vegyületekhez a legjobb donoregységeknek az elektronban gazdag aromás aminokat találták, mint például az indol, vagy a triaril-amin-származékok, de számos más heterociklusos egységeket is kipróbáltak már. A töltésszétválasztást biztosító π-hídban a hatásfok növelését nagyban segítik a beépített tioféngyűrűk, így leggyakrabban ezt az egységet alkalmazzák, azonban ahogy az általunk tervezett molekulában is látható, egyéb konjugált kettőskötés-rendszert tartalmazó merev szerkezetek is betölthetik ezt a szerepet. Fontos ezen egységek esetében, hogy szerkezetük merev legyen, mivel így lesz biztosított a gerjesztett elektronok problémamentes szétválása és áramlása. Az ilyen szerkezetek tovább finomíthatók „távtartó” csoportok beépítésével, amelyek csökkenthetik a nemkívánatos aggregációt a pórusos felületen, megfelelő oldékonyságot biztosítanak a színezéknek, illetve segíthetik a megfelelő töltésszétválást és az elektrontranszportot. Az akceptor egység esetében már jóval kevesebb megoldás született, a legtöbb esetben cianoakrilsav-csoportokat alakítottak ki, melyek savcsoportja végzi a vegyület rögzítését a félvezetőre, de leírtak egyéb kénatomokat tartalmazó úgynevezett ditiofulvenil egységeket is.
Mi donor egységnek a triarilamin szerkezetet választottuk, akceptor egységnek pedig egy tiofén-akrilésztert. Új szintézisutat dolgoztunk ki a π‑híd funkciót betöltő fluorazon egység előállítására, és további származékokat szintetizáltunk, melyeket fémorganikus úton alakítottunk tovább különböző indolon származékokká.
3. ábra: Az általunk előállított szerves színezék szerkezete
Szintetikus reakciósorunk segítségével a donor és az akceptor egység előállítását követően kitartó szerves preparatív munka eredményeként 9 lépéssel sikerült eljutnunk magas termeléssel az 1-aripirrol összekötőelemet tartalmazó célmolekulánkhoz (3. ábra), amelynek napcellában történő tesztelését is elvégeztük. [H2] Az előzetes mérések igen bíztatóak voltak, a referencia színezékkel elért hatásfoknál jobbat sikerült elérnünk, a jövőben azonban tervezzük az alapváz módosítását, optimalizálását és így a fluorazon egységet tartalmazó színezékek hatékonyságának növelését a Grätzel-féle napcellákban.
Várható impakt, további kutatás
A Grätzel-cellák létjogosultságának bizonysága a svájci Lausanne-ban átadott Kongresszusi Centrum, ahol a fogadótér falát napcellával borították be. Ezek függőlegesen is elhelyezhetők, mivel a hatékonyságuk nem függ a napsugarak beesési szögétől, és a létesítmény teljes energiaellátását biztosítják, sőt árnyékoló hatásuk miatt a légkondicionálók használatát is csökkenteni tudták (4. ábra/a).
4. ábra/a: A svájci EPFL műszaki egyetem új kutatási épülete, b: A GCell cég által forgalmazott hátizsák
Energiaforrásként telefon és fényképezőgép töltésére alkalmas hátizsák (4. ábra/b), amely távirányítók, táblagépek, karórák, füst- és helyzetérzékelők esetében is alkalmazható. Ezek az eszközök a szabadban és beltéren egyaránt használhatók, mivel minden látható fényt hasznosítani tudnak, így minden fényforrás egyben energiaforrás is.
Csoportunkban további kutatásokat folytatunk ebben a témában; tervezzük a linker egység optimalizálását, más donor egység alkalmazását, és így a színezékünkkel épített napcella hatásfokának növelését.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája:
[H1] Hergert, T.; Varga, B., Mátravölgyi, B.: Élet és Tudomány, 2017, 15, 469. oldal
[H2] B. Mátravölgyi, T. Hergert, A. Thurner, B. Varga, N. Sangiorgi, R. Bendoni, L. Zani, G. Reginato, M. Calamante, A. Sinicropi, A. Sanson, F. Faigl, A. Mordini: Eur. J. Org. Chem, 2017, 1843. oldal
Linkgyűjtemény:
Színezék-érzékenyített napelemcella
Referenciák:
[1] Schiermeier, Q.; Tollefson, J.; Scully, T.; Witze, A.; and Morton, O: Nature 2008 (454), 816. oldal
[2] Saga T: NPG Asia Mater. 2010 (2), 96. oldal
[3] O’Regan, B.; Grätzel, M.: Nature 1991 (353), 737. oldal
[4] Mishra, A.; Fischer, M. K. R.; Bäuerle, P.: Angew. Chem. Int. Ed. 2009 (48), 2474. oldal