Ştiinţa care se ocupă de conversia luminii solare în energie electrică datează de mai bine de un secol. Cu toate acestea, se caută neîncetat noi metode pentru a face din acest proces unul mai eficient şi mai convenabil.

Procesul nu implică numai cunoştinţe fundamentale de fizică şi chimie, în unele cazuri chiar şi de biologie, ci prezintă şi provocări serioase în materie de inginerie”, spune Brian Korgel, specialist în chimia materialelor nanostructurale şi profesor la Universitatea din Texas cu sediul în Austin.

Korgel şi colegii lui reprezintă o nouă generaţie de ingineri chimişti, aflaţi în căutarea răspunsurilor la unele dintre cele mai importante probleme globale.photovoltaic ink solution

Domeniul ingineriei chimice avea cândva reputaţia de a fi foarte conservator. Odată ce-ţi luai diploma, urma să lucrezi într-o uzină chimică şi să porţi o cască de protecţie sau în cadrul unei mari rafinării”, spune Korgel.

Aceasta nu mai este singura opţiune, astăzi. „Acum, cu ajutorul unor produse chimice noi, precum materialele nanostructurale, cei din branşă încearcă să realizeze noi tehnologii pentru diversificarea surselor de energie. Ne folosim de chimie pentru a obţine materiale ce nu pot fi create altfel”, spune în continuare Korgel, care, alături de echipa sa, lucrează la un proiect susţinut de Fundaţia Naţională pentru Ştiinţă din SUA, dedicat unui nou tip de celule solare: flexibile, uşoare, eficiente şi accesibile.

„Provocarea constă în a obţine o rată mai bună de conversie a radiaţiei solare în energie electrică. De exemplu, gradul de eficienţă al unei celule fotovoltaice obişnuite este de maxim 30 %. Prin urmare, cu o celulă fotovoltaică impecabil realizată nu poţi obţine un grad de eficienţă mai mare”, ne explică Korgel în laboratorul său din Austin.

În prezent, procesul de fabricaţie al celulelor solare cu un grad de eficienţă apropiat de cel menţionat presupune temperaturi ridicate, laminare în vacuum şi se face cu costuri foarte mari. Metoda bazată pe nanotehnologie, dezvoltată de Korgel şi echipa sa, este total diferită.

Ceea ce facem noi acum în cadrul acestui grup de cercetare este să realizăm nanocristale dintr-un amestec anorganic alcătuit din patru elemente chimice: cupru, indiu, galiu şi seleniură (CIGS). Particulele sunt apoi dizolvate într-un solvent şi obţinem un fel de cerneală sau vopsea”, spune Korgel.

Această „vopsea” solară va avea aceleaşi proprietăţi ca şi panourile fotovoltaice de pe acoperişurile clădirilor sau din „fermele solare” care se găsesc pe tot globul. Ea poate fi pulverizată atât pe suprafeţe de plastic, sticlă, cât şi pe suprafeţe textile pentru captarea luminii.

Aşadar, am creat metode complet noi de aplicare a unor straturi chimice anorganice care captează lumina şi devin celule solare şi încercăm să obţinem acest lucru la costuri de producţie mult mai mici.Korgel compară cu un sandwich micul ansamblu de componente ce alcătuiesc o celulă solară bazată pe tehnica sa: „Avem un strat superior de metal şi unul inferior pentru a capta impulsul electric. La mijloc se află suprafaţa care absoarbe lumina”, explică Korgel.

Înainte ca energia solară să reprezinte un lucru banal, vor trebui depăşite multe obstacole, cum ar fi gradul de eficienţă al celulelor solare bazate pe materiale nanostructurale. „În prezent, am realizat dispozitive al căror randament de conversie este de 3 procente, iar pentru a intra pe linia de producţie sunt necesare 10 procente”, spune Korgel. „Cred însă că putem obţine acele 10 procente. Sunt doar provocări de ordin ingineresc. Nu sunt uşor de depăşit, însă nici imposibil de trecut”.

Este esenţială îmbunătăţirea randamentului de conversie a luminii în energie electrică şi în funcţie de zona de pe glob unde se doreşte trecerea treptată la energia solară.

Mi-am făcut studiile postdoctorale la Dublin, în Irlanda. Acolo am avut parte de unele zile înnorate în care soarele putea fi văzut pe cer doar cinci ore. Pentru a folosi energia solară în astfel de condiţii ai nevoie de dispozitive de captare eficiente”. Cerneala solară, obţinută de grupul de cercetare condus de profesorul Brian Korgel, este pulverizată pe panouri solare.
Un alt obstacol este reprezentat de materia primă necesară pentru fabricarea acestei tehnologii la scară largă. Nu toate materialele CIGS (cupru, indiu, galiu, seleniură) sunt ieftine sau uşor de obţinut. „Pe termen lung însă, tinzi să te orientezi către o tehnologie a cărei materie primă se găseşte din abundenţă”, afirmă Korgel.

Siliconul ar putea reprezenta o soluţie, deoarece se obţine din nisip, regăsit din belşug pe toată planeta. Procesul de extracţie a siliconului din nisip presupune, însă, un consum enorm de energie, iar substanţele chimice folosite dăunează serios mediului înconjurător.

Korgel şi echipa sa analizează, de asemenea, şi aplicaţiile medicale ale materialelor nanostructurale. „Au proprietăţi unice. Pot fi fluorescente şi emite lumină sau pot interacţiona magnetic. De asemenea, expuse la lumină, ele pot genera căldură. Aşadar, ne putem folosi de toate aceste proprietăţi unice. Sunt atât de mici încât pot fi introduse în fluxul sanguin şi pot ajunge la organe”, spune Korgel.

De exemplu, o nano-sondă ar putea identifica o celulă canceroasă. Apoi ar putea elibera în sânge medicamentul necesar pentru a o distruge. „Ar fi o mare realizare să inventăm o unitate microscopică care să recunoască diverse de tipuri de cancer sau alte boli şi să administreze tratamentul indicat”, a explicat Korgel.