O tym co łączy mikrofalówkę, lampę UV i przydomowy ogródek z grafenowymi kropkami kwantowymi do produkcji ogniw fotowoltaicznych, rozmawiam z prof. Łukaszem Kaczmarkiem, dyrektorem Instytutu Inżynierii Materiałowej na Wydziale Mechanicznym PŁ.
- Kierowany przez Pana zespół dokonał ostatnio dwóch zgłoszeń patentowych. Dotyczą one pomysłu, który może zrewolucjonizować podejście do ogniw fotowoltaicznych.
- Nasze najnowsze dwa zgłoszenia patentowe dotyczą sposobu wytwarzania grafenowych kropek kwantowych. Chcemy je wykorzystać do budowy przezroczystych i elastycznych ogniw fotowoltaicznych, będziemy mogli je np. naklejać na szyby w wieżowcach. Ich istotną zaletą jest to, że są bezkrzemowe.
- Jak zrodził się ten pomysł?
- Jest to efekt zbiegu różnych okoliczności. Rok temu zastanawialiśmy się, jak obniżyć koszty ogniw fotowoltaicznych. W międzynarodowym zespole, bo byli u nas wtedy studenci z Ekwadoru, Norwegii i Belgii, razem z dr. inż. Piotrem Zawadzkim oraz naszym doktorantem Piotrem Kosobudzkim zaczęliśmy się zastanawiać, czy możemy wykorzystać grafen. A jeśli grafen, to jaką jego postać? Okazało się, że będą to grafenowe kropki kwantowe. Przede wszystkim zależało nam, aby ich wytworzenie było tanie i efektywne, bo nie mieliśmy w tym momencie urządzeń przeznaczonych do tego procesu. Po analizie postawiliśmy na metodę mikrofalową. Zastanawialiśmy się, skąd uzyskać substrat w postaci węgla, z którego zbudowane są nasze kropki. Wybraliśmy materiały bio, czyli owoce i warzywa, jak np. banany, buraki, pomarańcze itp.
- To bardzo smaczny pomysł…
- Co więcej, okazało się, że potrafimy wytworzyć kropki kwantowe przy pomocy urządzeń, które większość z nas ma w…kuchni. Prowadzimy w tej chwili ten proces z dużą wydajnością. Miało być tanio! Ostatnio do syntezy wykorzystaliśmy trawę zebraną w ogrodzie. Jak widać, na tym procesie możemy jeszcze zarabiać, odbierając odpady bio, które następnie wykorzystamy.
Zawiesiny kropek kwantowych
foto: arch. projektu
- Czy możemy, oczywiście nie wchodząc w szczegóły, dowiedzieć się jak przebiega proces syntezy kropek kwantowych?
- Najpierw z produktów bio musimy zrobić ekstrakt, czyli je wstępnie przetworzyć do postaci o konsystencji pulpy. Następnie tę pulpę władamy do… mikrofali, a po pół godzinie otrzymujemy zawiesiny kropek kwantowych. Można je zobaczyć pod mikroskopem, ale także powinny świecić w promieniowaniu UV. Teraz bierzemy następne urządzenie, wykorzystywaną np. w salonie piękności lampę UV i sprawdzamy, czy ekstrakt ma kolorową poświatę, może ona być od zieleni, przez delikatną żółć, aż po niebieski. Oczywiście później robimy wysublimowane badania, wykorzystując mikroskop TEM (transmisyjny mikroskop elektronowy), żeby sprawdzić jakie mamy układy, bo już je możemy zobaczyć. Najważniejsze jest teraz wyekstrahowanie tych kropek kwantowych z roztworu, a są one wielkości do 10 nanometrów. Mamy już opracowaną metodę. Otrzymane grafenowe kropki kwantowe przenosimy na folię, wykorzystując efekt atomizacji, czyli… taki jak z butelki do perfum i robimy z nich elektrody. Mamy to wszystko przeliczone, wiemy ile kropek zostanie wypuszczonych przy danej sile, odległości etc. Uzyskujemy efekt perkolacji (proces wymywania/wytrącania z podłoża substancji) i możemy przetwarzać energię słoneczną na energię elektryczną. Tak wygląda proces w dużym uproszczeniu. To co najważniejsze, to fakt opracowania w Politechnice Łódzkiej metody syntezy mikrofalowej grafenowych kropek kwantowych i prototypowego ogniwa fotowoltaicznego.
zdjęcie grafenowych kropek kwantowych z mikroskopii transmisyjnej TEM
foto: arch. projektu
- Proszę podkreślić główne elementy innowacyjności pomysłu.
- Grafenowe kropki kwantowe były wytwarzane z bioodpadów, ale głównie metodą hydrotermalną, natomiast my zastosowaliśmy mikrofalową, którą zmodyfikowaliśmy. Dzięki temu syntetyzowane przez nas kropki kwantowe są praktycznie takiej samej wielkości. Mamy też dużo wyższą efektywność procesu z uwagi na to, że zmodyfikowaliśmy samo urządzenie, co stanowi przedmiot opatentowania. W związku z tym, my nie odkrywamy nowego, ale modyfikujemy to co było i próbujemy skalować do zastosowań przemysłowych.
- Jak zamierzacie wykorzystać opatentowane pomysły?
- Chcemy założyć firmę spin off i produkować folie z naniesionymi na nie grafenowymi kropkami kwantowymi. Do tego musimy znaleźć równowagę między grubością i wytrzymałością folii, tak aby nie podlegała mikropęknięciom - bo na obecnym etapie badań to nie ma znaczenia.
W tej chwili mamy prototyp, który działa. Kolejnym etapem jest przeskalowanie na większą folię i wykonanie profesjonalnej elektroniki, by sprawdzić jak to działa w czasie, czy nie zmieniają się parametry przetwarzania energii.
Na biznesplan jeszcze jest za wcześnie. Sądzimy, że przy masowej produkcji koszty będą niskie i takie było nasze założenie. Szukamy inwestorów, ale tu jestem dobrej myśli. Dlaczego? Po pierwsze dlatego, że w przypadku ogniw krzemowych nie znamy ceny, jaką za rok trzeba będzie za nie zapłacić. Po drugie - jest problem z ich integracją z dachem, musi być odpowiednie nasłonecznienie, a tego problemu nie ma, gdy ogniwa są na foliach, które możemy nakleić lub wmontować w szyby, czy też w elewacje budynku. Co warto jeszcze podkreślić, grafenowe kropki kwantowe są zbudowane z węgla, a zatem są bezpieczne dla zdrowia człowieka.
- Na zakończenie, proszę przedstawić autorów patentów związanych z syntezą grafenowych kropek kwantowych.
- Współautorami patentów są studentki i studenci zagraniczni: Diana Ramos z Yachay Tech University w Ekwadorze, Anders Garuud i Maria Barfod z Norwegian University of Science and Technology oraz Esther Simoen z Ghent University w Belgii. Kolejna osoba to dr inż. Piotr Zawadzki, który zajmuje się tematem syntezy grafenowych kropek kwantowych w przygotowywanej habilitacji. Współautorem patentów jest też Piotr Kosobudzki, który w doktoracie pracuje nad przezroczystym ogniwem fotowoltaicznym z zastosowaniem grafenowych kropek kwantowych.
