Ультрафиолет убивает солнечные батареи, но финские ученые нашли неожиданного защитника

Представьте, что обычная кухонная отход — красная шелуха лука — может стать ключом к более устойчивой солнечной энергетике. Это не фантазия, а реальность, открытая в лаборатории Турку, Финляндия. Ученые из Университета Турку, в сотрудничестве с коллегами из Университета Аалто и Университета Вагенингена, разработали инновационную биопленку на основе наноцеллюлозы, обработанную экстрактом из шелухи красного лука. Эта пленка не только блокирует почти весь вредный ультрафиолет, но и превосходит традиционные пластиковые аналоги. Результаты их работы опубликованы в журнале Applied Optical Materials.

Проблема с солнечными батареями и традиционными решениями

Солнечные элементы преобразовывают свет в электричество, но тот же свет, который питает их, может разрушать чувствительные компоненты, особенно электролит в сенсибилизированных красителем солнечных элементах (DSSC). Эти элементы ценятся за гибкость и эффективность при слабом освещении. Чтобы предотвратить деградацию, производители обычно используют защитные пленки из нефтепродуктов, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТ). Однако такие материалы со временем разрушаются и плохо перерабатываются, что усугубляет экологические проблемы.

В поисках альтернативы исследователи обратились к наноцеллюлозе — возобновляемому материалу из древесной массы. Из нее можно создавать тонкие прозрачные пленки, идеальные для УФ-фильтров. Прорыв случился, когда они окрасили эти пленки экстрактом из красной шелухи лука, обычных кухонных отходов. Полученный фильтр блокирует 99,9% УФ-излучения с длиной волны до 400 нанометров, превзойдя даже коммерческие ПЭТ-фильтры.

Преимущества новой биопленки

Ключевой ингредиент — водный экстракт из шелухи красного лука. Он обеспечивает не только отличную защиту, но и пропускает более 80% света в диапазоне 650-1100 нм, что идеально для поглощения энергии в солнечных батареях. Это редкое сочетание долговечности, прозрачности и устойчивости обусловлено антоцианами — пигментами, придающими луку цвет, а также флавонолгликозидами и фенольными кислотами, которые усиливают стабильность.

"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.

Испытания и сравнение с альтернативами

Команда протестировала пленки под 1000 часами искусственного солнечного света, что соответствует примерно году эксплуатации в Центральной Европе. Фильтры прикрепили к DSSC и отслеживали деградацию: потерю цвета и пожелтение электролита. Пленка CNF-ROE (целлюлозное нановолокно с экстрактом красного лука) выдержала испытания отлично, сохранив цвет и продлив срок службы элемента до прогнозных 8500 часов. Для сравнения, ПЭТ-фильтр — всего 1500 часов.

Другие протестированные биофильтры, включая те с ионами железа и наночастицами лигнина, показали хорошие начальные результаты, но быстрее деградировали под УФ-воздействием.

"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".

Потенциал и шире контекст

Это открытие вписывается в глобальные усилия по декарбонизации солнечной энергетики. Интересный факт: по данным Международного энергетического агентства (IEA), установленная мощность солнечных панелей в мире превысила 1 тераватт в 2023 году, но пластиковая упаковка остается значительным источником выбросов углерода.

Замена нефтепродуктов биоразлагаемыми материалами, такими как эта пленка, может разорвать этот цикл. Еще один факт: красный лук богат антоцианами, которые не только защищают от УФ, но и обладают антиоксидантными свойствами, полезными для здоровья, как показывают исследования в области питания.

Ученые планируют применять биоразлагаемые элементы в интеллектуальной упаковке, датчиках и носимых устройствах, где переработка не всегда возможна. Даже новейшие технологии, как перовскитные солнечные элементы, нуждаются в эффективных барьерах от ультрафиолета. Таким образом, скромная шелуха лука может стать тихой революцией в чистой энергетике.