Новая солнечная панель из луковой шелухи превзошла промышленные пластмассы 

Фото из открытых источников

В лаборатории в Турку, Финляндия, ученые нашли удивительного союзника в борьбе за устойчивую солнечную энергетику: бумажную красную кожуру лука. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Optical Materials.

Исследователи из Университета Турку в сотрудничестве с Университетом Аалто и Университетом Вагенингена разработали биопленку для защиты солнечных батарей от ультрафиолетового излучения, которая не только блокирует практически весь вредный ультрафиолет, но и превосходит по своим характеристикам коммерческие пластиковые пленки. Ключевым ингредиентом является водный экстракт из шелухи красного лука.

«Наноцеллюлозные пленки, обработанные красителем красного лука, являются перспективным вариантом в тех случаях, когда защитный материал должен быть на биологической основе», — отметил Рустем Низамов из Университета Турку.

Солнечные элементы преобразуют свет в электричество. Однако тот же солнечный свет, который питает их, может также разрушать их чувствительные компоненты, в частности, электролит в сенсибилизированных красителем солнечных элементах (DSSC), которые известны своей гибкостью и эффективностью при слабом освещении. Чтобы снизить этот эффект, производители обычно обёртывают элементы пленками, защищающими от ультрафиолетового излучения, из пластика на основе нефтепродуктов, например, полиэтилентерефталата (ПЭТ). Однако эти пластики со временем разрушаются и их сложно перерабатывать.

В поисках более экологичной альтернативы команда обратилась к наноцеллюлозе — возобновляемому материалу, получаемому из древесной массы. Наноцеллюлозу можно перерабатывать в тонкие прозрачные плёнки, которые служат идеальной основой для составов, блокирующих УФ-излучение.

Прорыв произошел, когда они окрасили эти пленки экстрактом из шелухи красного лука – обычных кухонных отходов. В результате получился фильтр, блокирующий 99,9% УФ-излучения с длиной волны до 400 нанометров, что превзошло даже коммерческие фильтры на основе ПЭТ, выбранные для сравнения.

В солнечных батареях сохранение видимого и ближнего инфракрасного света имеет решающее значение. Именно эта часть спектра используется для производства электроэнергии. И здесь фильтр, обработанный луком, также проявил себя превосходно: он пропустил более 80% света в диапазоне 650–1100 нм — идеальном месте для поглощения энергии.

Команда подвергла свои фильтры суровому испытанию: 1000 часов искусственного солнечного света, что эквивалентно примерно году использования на открытом воздухе в Центральной Европе. Они прикрепили фильтры к DSSC и наблюдали за деградацией как самой плёнки, так и расположенных под ней солнечных элементов. Потеря цвета, в частности, пожелтение или «обесцвечивание» электролита, свидетельствует о деградации основного химического состава солнечного элемента.

«Исследование подчеркнуло важность долгосрочных испытаний УФ-фильтров, поскольку УФ-защита и светопропускание других биофильтров значительно меняются со временем», — пояснил Низамов. «Например, плёнки, обработанные ионами железа, имели хорошую начальную светопропускаемость, которая снижалась со временем».

Пленка CNF-ROE (целлюлозное нановолокно с экстрактом красного лука) выдержала испытания на удивление хорошо. Она лишь незначительно изменила цвет и сохранила жёлтый оттенок электролита гораздо лучше, чем любой другой фильтр. Даже прогнозное моделирование, основанное на ранних тенденциях деградации, предполагало, что фильтр CNF-ROE может продлить срок службы солнечного элемента примерно до 8500 часов. Фильтр на основе ПЭТ? Всего 1500 часов.

Исследователи протестировали три других биофильтра: один, содержащий ионы железа, а другой — на основе наночастиц лигнина — побочного продукта промышленного производства бумаги. Хотя оба фильтра показали многообещающие результаты на ранних этапах испытаний, они быстрее разрушались под воздействием ультрафиолета. В частности, плёнки, обработанные железом (TOCNF-Fe³⁺), поначалу демонстрировали хорошую защиту от ультрафиолета, но со временем их пропускание и структурная целостность заметно снизились.

Напротив, экстракт красного лука продемонстрировал редкое сочетание долговечности, прозрачности и устойчивости.

Отчасти это связано с антоцианами — пигментными молекулами, придающими красному луку насыщенный цвет. Известно, что эти соединения поглощают ультрафиолетовое излучение. Однако в кожуре красного лука также содержатся флавонолгликозиды и фенольные кислоты, которые могут способствовать дополнительной стабильности.

Группа ученых планирует использовать биоразлагаемые солнечные элементы для интеллектуальной упаковки, дистанционных датчиков или носимых устройств, особенно в тех случаях, когда восстановление и переработка нецелесообразны.

Это достижение вписывается в более широкое движение за декарбонизацию каждого этапа производства солнечной энергии. Пластиковая упаковка — один из недооценённых источников выбросов в чистых технологиях. Замена ископаемого пластика биоразлагаемыми альтернативами помогает разорвать этот порочный круг.

Но ставки выходят за рамки упаковки. По мере распространения солнечных панелей спрос на экологичные и долговечные материалы будет только расти.

В настоящее время большинство коммерческих солнечных модулей по-прежнему используют защитные плёнки, получаемые из нефти. Даже новейшие солнечные технологии, такие как перовскитные элементы, остаются крайне чувствительными к ультрафиолетовому излучению и остро нуждаются в более эффективных барьерах.

Именно здесь биоразлагаемый материал, превосходящий существующие стандарты и изготовленный из того, что в противном случае было бы пищевыми отходами, может совершить тихую революцию.

И за это нам, возможно, придется поблагодарить скромный красный лук.