Aurinkokennoihin tehokkuutta kasvien lehtirakenteita imitoimalla

Ihminen voi oppia kasvikunnan yli 350 000 kasvin lajikehityksestä ja kyetä räätälöimään keinotekoisten optisten kalvojen ominaisuuksia tarkkaan valittujen kasvien pintarakenteiden mukaisiksi. Energiatehokkuuteen tähtäävät optiset kalvot ovat fossiilisten polttoaineiden ehtyessä relevantteja erilaisissa energiantuotannon sovelluksissa, ja myös muilla aloilla kuten maanviljelyyn tarkoitettujen kasvihuoneiden mosaiikkikatoissa.

Kasvien pintarakenteen hyödyntämistä on tutkittu Oulun yliopiston nano- ja molekyylisysteemien tutkimusryhmän ja kiinalaisten instituuttien monitieteisessä yhteistyössä. Työtä pidetään lupaavana strategisena tienä aurinkokennotekniikassa käytettävien heijastuksenestopintojen energiatehokkuuden optimoinnille. Tutkimus julkaisiin hiljattain Scientific Reports -lehdessä, jota julkaisee Nature Publishing Group.

Tarkka silmäys vihreän lehden pintaan paljastaa monimutkaisen rakenteen suonia, korsia ja karkeaa pintaa. Miljoonien vuosien evoluutio on tuottanut lehtien ylempiin epidermeihin rakenteita, jotka soveltuvat optimaalisesti erilaisiin ympäristöihin. Myös keinotekoiset valokennot kuten piistä tehdyt aurinkokennot tuottavat virtaa ja lämpöä. Puhtaalla piillä on kuitenkin peräti 30 prosentin pintaheijastusaste. Sen alentamiseksi aurinkokennoissa joudutaan käyttämään heijastuksenestopinnoitusta. Oikeanlaisen pinnoitusrakenteen löytäminen on tärkeää valon keräämisen tehostamiseksi.

Lehtien pintarakenteet ja niiden toiminta valonkeruussa innoittivat tutkijoita kopioimaan lehtien morfologioita poly-(metyylimathacrylaatti) (PMMA) -polymeereihin tarkoituksena kasvattaa valokennojen tehoja. Kaikkiaan jäljiteltiin 32 kasvin lehtiä. Havaittiin esimerkiksi, että maissin lehden pintarakenteen kopiointi toi 17 prosentin tehonlisäyksen käytettyyn aurinkokennoon. Optisia ominaisuuksia ja tehoja voidaan myös säätää lajista riippuen.

Tutkimusartikkelin viite:
Replication of Leaf Surface Structures for Light Harvesting, Scientific Reports, 5, 14281, 2015 [10.1038/srep14281]

 

Dos Wei Cao
Prof. Marko Huttula

Nano- ja molekyylisysteemien ryhmä
Luonnontieteellinen tiedekunta

Viimeksi päivitetty: 23.10.2015