Turun yliopiston tutkijat selvittivät, miten biopohjaisista materiaaleista voidaan valmistaa tehokkaita UV-suojakalvoja aurinkokennoihin. Tuore tutkimus on ensimmäinen, jossa biopohjaisten suojakalvojen ominaisuuksia on verrattu keskenään pitkällä aikavälillä.
Aurinkokennot ovat alttiita auringon ultraviolettisäteilyn aiheuttamalle kulumiselle. Useimmiten kennot suojataan UV-säteilyltä päällystämällä ne PVFD- tai PET-muoveista valmistetuilla suojakalvoilla.
Öljypohjaisille muoveille etsitään materiaalitekniikan tutkimuksessa ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja, joista yksi on nanoselluloosa. Nanoselluloosaa valmistetaan hajottamalla selluloosaa nanokokoisiksi säikeiksi, jotka voidaan käsitellä erilaisin tavoin UV-suojaustehon saavuttamiseksi.
Turun yliopiston, Aalto-yliopiston ja Wageningenin yliopiston tuoreessa tutkimuksessa havaittiin, että punasipulin kuoresta uutetulla väriaineella värjätty nanoselluloosa tarjoaa erittäin tehokkaan suojan auringon UV-säteilyä vastaan.
Punasipulilla käsitelty kalvo esti 99,9 prosenttia UV-säteilystä 400 nanometriin saakka, mikä tarkoittaa erittäin tehokasta suojaa. Suojakalvo päihitti UV-suojaustehossaan myös vertailussa mukana olleen PET-pohjaisen suojan, joka edusti tutkimuksessa kaupallista standardia.
‒ Punasipulilla käsitelty nanoselluloosa on lupaava materiaali sellaisiin käyttökohteisiin, joissa suojamateriaalin on tärkeä olla biopohjainen, kertoo väitöskirjatutkija Rustem Nizamov Turun yliopistosta.
Väitöskirjatutkija Rustem Nizamov tarkastelee pidikkeessä olevia väriaurinkokennoja laboratoriossa. Kuva: Väinö Anttalainen
Tutkijat valmistivat neljä erilaista suojakalvoa nanoselluloosasta, ja vertailivat niiden suojaominaisuuksia. Yksi kalvoista oli käsitelty punasipulin kuoresta uutetulla värillä, yksi ligniinillä sekä kaksi rautaioneilla, joista kaikilla on havaittu olevan luonnostaan hyviä kykyjä imeä UV-säteilyä. Punasipulin kuoresta uutettu väri osoittautui vertailussa tehokkaimmaksi.
Näkyvä valo talteen
UV-säteily (alle 400 nm) on aurinkokennoille haitallista, kun taas näkyvän valon (400‒700 nm) ja osittain infrapunavalonkin (etenkin 700‒1200 nm) läpäisy on tärkeää, sillä tätä säteilyä aurinkokennot muuttavat sähköksi.
Biopohjaisten suojakalvojen valmistuksessa haasteena on usein se, että hyvä UV-suojausteho voi heikentää näkyvän valon läpäisyä. Esimerkiksi ligniinin tummanruskea väri rajoittaa sen käyttöä läpinäkyvissä suojakalvoissa.
Punasipulin värillä käsitelty kalvo osoitti lupaavia ominaisuuksia, sillä se päästi läpi yli 80 prosenttia auringonvalosta pidemmillä aallonpituuksilla, 650‒1100 nanometrissä. Suoja säilytti hyvät ominaisuutensa läpi pitkän testausjakson.
Materiaalien kestävyyttä ja suorituskykyä testattiin keinovalon alla 1000 tuntia, mikä vastaa suunnilleen vuotta auringonvaloa ulkoilmassa Keski-Euroopan ilmastossa. Suodatinmateriaalien ja aurinkokennojen visuaalisia muutoksia seurattiin digitaalisten valokuvien avulla.
‒ Tuloksemme puhuvat materiaalien pitkäaikaisen testaamisen puolesta, sillä kaikkien biopohjaisten suojakalvojen UV-suojausteho ja valonläpäisy muuttuivat jollain tapaa ajan kuluessa. Esimerkiksi rautaioneilla käsitellyt kalvot päästivät valoa läpi hyvin testauksen alussa, mutta materiaalin ikääntyessä valonläpäisy heikkeni, kertoo Nizamov.
Suojakalvoja testattiin väriaineherkistetyillä aurinkokennoilla, koska ne ovat erityisen alttiita UV-säteilyn aiheuttamalle kulumiselle.
‒ Testaamamme kalvot soveltuvat kuitenkin myös muiden aurinkokennojen, kuten perovskiittikennojen ja orgaanisten kennojen UV-suojaamiseen, Nizamov kertoo.
Tulevaisuudessa tutkijoiden visiona on kehittää aurinkokennotyyppejä, jotka ovat biohajoavia ja joita voidaan käyttää sensoreiden voimanlähteinä esimerkiksi elintarvikepakkauksissa.
‒ Metsäteollisuudessa ollaan kiinnostuneita kehittämään uusia korkean jalostusasteen tuotteita. Elektroniikan alalla nämä voivat olla esimerkiksi komponentteja aurinkokennoihin, Turun yliopiston professori Kati Miettunen kertoo.
Turun yliopiston Aurinkoenergiamateriaalit ja -systeemit -tutkimusryhmä (SEMS, Solar Energy Materials and Systems) tutkii aurinkoenergiaa ja aurinkoenergiaa tuottavien järjestelmien integrointia energiajärjestelmään. Tämä tutkimus on osa Suomen Akatemian rahoittamaa BioEST-hanketta.
Tieteellinen artikkeli julkaistiin ACS Applied Optical Materials -tiedelehdessä.
Kuvat medialle
Kuva 1: Kuvassa näkyy punasipulilla värjätty kalvo ja väriaineaurinkokennoja, joiden päälle kalvot asetettiin tutkimuksessa. Kuva: Väinö Anttalainen
Kuva 2: Väitöskirjatutkija Rustem Nizamov tarkastelee pidikkeessä olevia väriaurinkokennoja laboratoriossa. Kuva: Väinö Anttalainen
Kuva 3: Väitöskirjatutkija Rustem Nizamov ja väriaurinkokennot. Kuva: Väinö Anttalainen
