Kompozytowe nanodruty tlenku cynku dekorowane nanocząstkami dwutlenku tytanu do produkcji elektrod w barwnikowych ogniwach fotowoltaicznych oraz sposób ich wytwarzania

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytowych nanodrutów ZnO dekorowanych nanocząstkami TiO2 do zastosowań w barwnikowych ogniwach fotowoltaicznych jako nowatorskie fotoelektrody. Do wytwarzania materiału nanokompozytowego wykorzystuje się kombinację techniki zol-żel oraz procesu elektroprzędzenia z roztworów PVP(PAN, PVA)/EtOH(DMF)/Zn(CH3COO)2/TiO2-nanocząstki przy ściśle określonych parametrach, co pozwala otrzymywać nanowłókna na bazie polimeru, które następnie poddaje się procesowi kalcynacji w temperaturach z zakresu 400 - 1200°C. W wyniku wyżarzania w piecu wysokotemperaturowym powstają nanodruty hybrydowe ZnO/TiO2-NPs, charakteryzujące się dużą powierzchnią właściwą pozwalającą na adsorpcję większej ilości barwnika oraz pochłanianie większej ilości fotonów promieniowania elektromagnetycznego, a także mniejszą rekombinację oraz bezpośredni transport ładunków w zakresie materiału elektrodowego, w porównaniu do ogniw na bazie fotoelektrod z czystego TiO2 (załącznik).

Kompozytowe nanodruty tlenku cynku dekorowane nanocząstkami dwutlenku tytanu mogą znaleźć zastosowanie do budowy fotoelektrod w barwnikowych ogniwach fotowoltaicznych. Ze względu na wyniki badań świadczące o wzroście efektywności ogniw uczulanych barwnikiem budowanych w oparciu o fotoelektrody wykazujące własności półprzewodnikowe obu zastosowanych materiałów, tlenku cynku oraz dwutlenku tytanu, przedmiot wynalazku może zrewolucjonizować przemysł fotowoltaiczny. Na podstawie już przeprowadzonych badań oczekuje się, że fotoelektrody budowane w oparciu o hybrydowe nanodruty ZnO-TiO2 pozwolą na znaczne polepszenie wyników uzyskiwanych wydajności ogniw powyżej 11%. Wzrost sprawności elastycznych barwnikowych ogniw fotowoltaicznych może przyczynić się do rewolucji w przemyśle paneli słonecznych, w tym także do zastąpienia obecnie stosowanych krzemowych bądź opartych na TiO2 ogniw. Dekorowane nanocząstkami nanodruty tlenku cynku dodatkowo zwiększają powierzchnię właściwą materiału elektrodowego, co przyczynia się do zwiększonej adsorpcji barwnika, a w następnym etapie do zwiększonej absorpcji fotonów promieniowania elektromagnetycznego.
Ponadto, zaproponowana metoda wytwarzania nanodrutów kompozytowych charakteryzująca się niskimi kosztami procesu, a także możliwością wprowadzenia produkcji wielkoskalowej, pozwoli na znaczne obniżenie kosztów produkcji nanostrukturalnych materiałów elektrodowych. Przedmiot wynalazku odznacza się również możliwością zastosowania barwników organicznych, które są przyjazne środowisku i biodegradowalne. Zastosowanie opracowanej przez autorów wynalazku dwuetapowej metody wytwarzania hybrydowych nanodrutów półprzewodnikowych oraz kontrolę stężenia wagowego nanocząstek dwutlenku tytanu, możliwe jest manipulowanie własnościami półprzewodnikowymi wytworzonego materiału, które w znaczący sposób wpływają na uzyskiwane sprawności barwnikowych ogniw fotowoltaicznych. Zarówno nanomateriały, w tym nanodruty kompozytowe będące przedmiotem wynalazku, jak i zastosowanie otrzymywanych nanostruktur hybrydowych wpisuje się w dyrektywy Unii Europejskiej, w tym program Horyzont 2020. Samo szukanie nowych rozwiązań wykorzystywania czystej energii do produkcji energii elektrycznej wpisuje się w rozdział programu „Wyzwania społeczne” oraz tematu „Energia”, w którym między innymi należy skupić się redukcji zużycia energii oraz redukcji śladu węglowego, taniej, niskowęglowej energii elektrycznej czy paliwach alternatywnych i mobilnych źródłach energii. Natomiast w rozdziale „Wiodącej pozycji w przemyśle” w temacie „Nanotechnologie, zaawansowane materiały, zaawansowane systemy produkcji i przetwarzania, biotechnologia”, przedsiębiorcy skupiają się na działaniach w obszarze likwidowania luki pomiędzy badaniami naukowymi, a biznesem oraz wspieraniem rozwoju technologii i produktów od skali laboratoryjnej do wdrożeń rynkowych. Strategia programu Horyzont 2020 świadczy o coraz większym zainteresowaniu i potencjalnych możliwościach wykorzystaniu nanotechnologii w urządzeniach obecnie stosowanych, jednak o znacznie lepszych wydajnościach i mniejszych kosztach produkcyjnych.
Zastosowanie metody elektroprzędzenia oraz obróbki termicznej, w postaci kalcynacji, pozwala na otrzymywanie nanodrutów hybrydowych dekorowanych nanocząstkami, zarówno na powierzchni, jak i w całej objętości nanostruktur, co jest kluczowym czynnikiem wpływającym na własności półprzewodnikowe w materiale elektrodowym barwnikowych ogniw fotowoltaicznych. Według wcześniej przeprowadzonych badań, zaproponowana przez autorów wynalazku metoda wytwarzania nanodrutów ceramicznych z zastosowaniem przedstawionych polimerów skutkuje otrzymywaniem nanostruktur o morfologiach odpowiednich do zastosowań w ogniwach, gdzie istotną rolę odgrywa powierzchnia właściwa do adsorpcji barwnika i absorpcji fotonów promieniowania elektromagnetycznego. Ponadto, dowiedziono, że stosowana temperatura kalcynacji w sposób znaczący wpływa na morfologię, w tym na średnicę wytwarzanych nanodrutów, wzrost temperatury obróbki cieplnej z 400 do 600°C skutkuje ok. 50% redukcją wartości średnic. Redukcja średnic nanodrutów wpływa także na zwiększenie powierzchni właściwej materiału elektrodowego. Ponadto, zauważono, że istnieje korelacja pomiędzy temperaturą kalcynacji, a strukturą krystaliczną wytwarzanych nanodrutów hybrydowych.
Uzyskujące wysokie sprawności ogniwa barwnikowe mogą znaleźć zastosowanie w przenośnych urządzeniach osobistych jako mobilne ładowarki, do zasilania podgrzewaczy wody czy całych systemów elektrycznych w domach jednorodzinnych, a także do produkcji bardziej przyjaznych środowisku środkom transportu. Przedmiot wynalazku pozwoli na wykorzystywanie czystej energii do wytwarzania prądu elektrycznego, który zastąpi potrzebę użytkowania paliw kopalnych w produkcji energii.

- poprawa jakości
- zgodność z normami
- wprowadzenie nowego produktu/usługi

nanodruty kompozytowe, nanodruty ZnO-TiO2, elektroprzędzenie, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne, DSSC

Obecnie w XXI wieku trudno sobie wyobrazić którąkolwiek sferę społecznego życia człowieka bez nanotechnologii. Zainteresowanie nanotechnologią i jej osiągnięciami wzrasta w sposób nad wyraz dynamiczny i z roku na rok zyskuje na ważności. O dynamice rozwoju rynku nanotechnologii mogą świadczyć m.in. dane BCC, zgodnie z którymi rynek ten wart 39,2 bilionów dolarów w 2016 roku, do 2021 roku osiągnie niebagatelną wartość 90,5 miliardów dolarów, tj. 18,2 % stopy wzrostu w skali roku. Szacuje się, że najintensywniejszy rozwój branży nanotechnologicznej w najbliższych latach dotyczyć będzie tworzenia i stosowania nowych materiałów (nanocząstki, nanodruty, nanowłókna, nanorurki, materiały nanostrukturalne oraz nanokompozyty), narzędzi (narzędzia do nanolitografii, mikroskopy w tym między innymi elektronowe i ich oprzyrządowanie) oraz urządzeń (nanoelektonika, czujniki, sensory).

- Energia
- Elektronika, mikroelektronika

- prototyp
- technologia gotowa do zastosowania

- Twórca jest zainteresowany nawiązaniem współpracy w celu dalszych badań nad wynalazkiem
- Twórca jest zainteresowany wdrożeniem wynalazku
- Twórca wyraża zgodę na udział w Spotkaniu Brokerskim
- Twórca jest zainteresowany zbyciem praw majątkowych do wynalazku

- instytut naukowo - badawczy, uniwersytet
- ośrodek transferu technologii
- przemysł
- usługi

Wyniki szczegółowych badań laboratoryjnych określające morfologię, strukturę oraz własności fizyczne opracowanych materiałów kompozytowych ze szczególnym uwzględnieniem własności elektrycznych oraz optycznych. Narzędzia użyte do analizy opracowanych materiałów m.in.: wysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa, skaningowa mikroskopia elektronowa ze spektrometrem dyspersji energii, rentgenowska analiza dyfrakcyjna, spektrofotometria w świetle widzialnym i ultrafiolecie, spektroskopia impedancyjna, spektroskopia fourierowska i w podczerwieni. Wytworzenie prototypu elektrody dla barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego, zastosowanie wytworzonych cienkich włóknistych warstw organicznych wzmacnianych nanostrukturami półprzewodnikowymi do budowy prototypowych objętościowych ogniw fotowoltaicznych o kilkukrotnie wyższej sprawności konwersji promieniowania elektromagnetycznego na prąd elektryczny w porównaniu do ogniw konstruowanych obecnie na świecie. Ponadto materiały te cechują się polepszoną absorpcją promieniowania w zakresie ultrafioletu przy jednoczesnym zachowaniu niezmienionego, względem materiału osnowy zakresu pochłanianego promieniowania – opracowanie nietoksycznych oraz łatwych do aplikacji na dowolną powierzchnię powłok ochronnych przed promieniowaniem UV.