Что такое органические солнечные панели

Органические солнечные батареи: преимущества, материалы и перспективы

Современные органические солнечные батареи являются образцом одной из самых перспективных технологий преобразования солнечной энергии. Основные сферы, где она применяется уже сегодня – потребительская электроника, жилой и коммерческий сектор, оборонная промышленность.

Специалистами прогнозируется, что объём рынка такой фотовольтаики в 2021 году составит более 2,5 млрд. USD. На протяжении последних 5-6 лет появляются все новые изделия на органической основе. В их числе не только гибкие пленки, но и тенты, полупрозрачные навесы, зонты, палатки, сумки, светопреобразующие волокна, ткани и другие.

Органические солнечные батареи – структура, виды и материалы

Все описанные в различных источниках перспективные фотоэлектрические панели на базе органики делятся на два основных вида.

1. «Слоистый», в котором активные компоненты наносятся на подложки отдельными слоями. Как видно на фото (тип «а») в качестве примера показана структура органической «слоистой» солнечной батареи. Ее состав – отдельные плёнки на базе диселенида меди/индия/галлия/селена (CIGS).

Прогрессивным методом нанесения CIGS является метод печати, основанный на использовании суспензии частиц оксидов металлов – «чернил». С учётом вязкости, зависящей от размеров частиц и их концентрации, возможно использование метода трафаретной печати или струйного осаждения.

2. «Гетеропереходной» (тип «б»). Данный вид органических солнечных батарей – это панели из смеси графена и полимера с обычным гетеропереходом. В их структуре присутствует только один фотоактивный слой, являющийся смесью «донора» фуллерена и полимерного «акцептора».

Первый вариант наиболее востребован авиационной, космической и оборонной промышленностью, в связи с более высоким КПД, достигающим сегодня 25-27%. Второй вариант обещает стать настоящим прорывом для наземного коммерческого и бытового использования, благодаря низкой стоимости и простоте внедрения.

Характеристики, достоинства и перспективы

Важнейшими характеристиками третьего поколения фотовольтаики являются:

• толщина порядка 1 мм;
• высокая прочность и устойчивость к внешним факторам;
• легкость нанесения на все виды материалов;
• возможность быстро изготавливаться на бесконечно длинных лентах – так называемые рулонные органические солнечные батареи;
• различная светопропускная способность, вплоть до почти полной прозрачности;
• предельно малый вес;
• экологическая безопасность для окружающей среды и здоровья окружающих.

В настоящее время исследования и разработки новых органических солнечных батарей наиболее интенсивно проводятся в США, Германии, Японии, Китае и России. Основным направлением работ являются создание и совершенствование материалов для их изготовления. Конечная цель – сделать поглощающие энергию солнца элементы:

• более эффективными;
• многофункциональными,
• быстрыми и простыми в изготовлении;
• с максимально длительным сроком эксплуатации;
• легкими и дешевыми;
• разнообразными по форме.

Сферы применения

Таковых уже сейчас можно насчитать более десятка.

1. Ряд компаний предлагает купить полупрозрачные и прозрачные органические солнечные батареи из графена, которые можно наносить на внешнюю сторону оконных стекол. Это позволяет решать одновременно две задачи – сохранять уровень светопропускания и осуществлять выработку электроэнергии.
2. Еще одним интересным предложением являются фотоэлектрические элементы в виде прочных тканевых волокон. Специалисты прогнозируют, что спустя всего 7-10 лет в источник электричества можно будет превратить любую ткань. А пока их массово начинают вплетать в одежду, обувь, сумки и прочие популярные аксессуары.
3. Следующим перспективным направлением является переход с кремниевых на органические солнечные батареи для автомобилей и самолетов. Купить такие виды транспорта можно во многих странах мира.
4. Обязательно придет этот вид фотовольтаики в сферу автомобильного, лодочного и пешего туризма. Во время длительных походов, поездок или сплавов по рекам демонстрирующая очень высокий КПД в условиях слабого освещения органика незаменима.

Повышение производительности батарей из органических материалов

Пока рулонные органические солнечные батареи проигрывают «классике» в уровне эффективности. Для изменения данной тенденции инженеры находят разные способы, из которых более прочих распространены два.

Способ №1 – Тандемные ячейки

Одной из проблем «солнечной» органики являются слабые молекулярные связи. Решение ученые нашли в создании тандемных ячеек, каждый слой которых состоит из органических материалов разного типа и поглощает различные длины волн.

Лидером разработок этого направления является китайский физик Чен Йонг Шен и его группа. По утверждению профессора, производительность фотоэлектрических элементов этого класса уже через 3-4 года может вырасти на 30-40%.

Способ №2 – солнечные батареи на органических красителях из бактерий с измененной ДНК

Первыми применять бактерии с модифицированным геномом начали канадцы. С 2018 года они экспериментируют с микроорганизмами вида E.coli, известными своей способностью производить ликопин.

Биохимики из университета Торонто смогли внедрить бактерии в минеральный порошок с полупроводниковыми свойствами. При помещении на подложку такие «биогенные» элементы начали давать ток за счет своей жизнедеятельности.

Пока солнечные батареи на органических красителях не получили широкого распространения. Но их важным достоинством является теоретически почти бесконечный срок жизни. Ведь многие поколения бактерий постоянно будут сменять друг друга, и при правильно подобранных условиях колония на подложке может жить и давать ток сколь угодно долго.

Рекорд КПД нынешней фото органики составляет 25% — причем при сверхслабой освещенности всего 220 люкс (аналог довольно темной комнаты). Разработчики новинки – CEA (Франция) и Toyobo Co., Ltd (Япония).

Источник

Органические солнечные батареи

В XXI веке человечество столкнулось с проблемой истощения органических источников топлива. В будущем ресурс таких ископаемых как нефть, уголь, газ будет исчерпан, поэтому актуален вопрос получения энергии из альтернативных источников.

В перспективе из всех доступных источников одним из самых емких будет энергия Солнца, поступающая на поверхность Земли в огромном количестве, во много раз превышающим глобальные потребности человечества. Для ее поглощения используют солнечные батареи, установленные на крышах зданий.

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно, таким образом, они является основой конструкции. Фотоэлементы обычно оценивают по трем основным параметрам: эффективность или КПД, срок службы и стоимость. Баланс этих показателей определяет место на рынке.

На данный момент мы находимся в ситуации доминирования кремниевой фотовольтаики (солнечные батареи с фотоэлементами из кристаллического или аморфного кремния). В связи с этим в настоящее время солнечную энергию преобразовывают с помощью неорганических солнечных батарей, в основном кремниевых . Их эффективность порядка 15%, срок службы около 30 лет. Однако стоимость кремниевых солнечных батарей определяется высокой себестоимостью их производства, монтажа и обслуживания. Это приводит к тому, что большинство людей не могут позволить себе разместить их у себя на крыше.

Более того, стоимость электроэнергии, получаемой при помощи таких батарей, на сегодняшний день не очень конкурентоспособна. Это связано, прежде всего, со стоимостью технологий обработки и получения кремния. Поэтому нужны новые типы солнечных батарей, которые были бы дешевле и позволили бы использовать ресурс энергии солнца в большем масштабе, чем сейчас.

Поэтому взгляд естественным образом упал на органические солнечные элементы – элементы, применяющие органические, проводящие полимеры для сбора энергии от Солнца. Полимеры стоят относительно недорого, а сами плёнки-фотоэлементы можно будет печатать на принтерах с приличной скоростью и за год покрывать большую площадь. Таким образом органическая фотовольтаика требует малых затрат и легко масштабируется.

Органические полупроводники являются перспективным элементом для создания солнечных батарей, поскольку их можно производить в виде больших пластиковых листов. Однако их недостатком всегда считался низкий коэффициент преобразования световой энергии в электрическую.

Когда полупроводящий материал поглощает фотоны, образуются экситоны – водородоподобные квазичастицы. Экситоны представляют собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных в одном узле кристаллической решетки. Экситоны создают фотонапряжение при ударе о границу или узел решетки. Если экситоны перемещаются только на дистанцию в 20 нм, лишь те, которые находятся близко к узлам, могут создавать напряжение, что и объясняет низкую эффективность современных органических солнечных элементов.

Частично скомпенсировать эти негативные факторы позволяет уменьшение толщины активного слоя до 50 нм, что снижает эффективность поглощения света, т.е. не дает возможность значительно повысить общую эффективность.

Одно из возможных решений, позволяющих увеличить поглощение света в сверхтонких активных слоях – применение металлических наночастиц. Из-за большого электромагнитного поля в непосредственной близости таких наночастиц увеличивается вероятность диссоциации экситонов на электрон и дырку проводимости. Кроме того, увеличивается доля поглощенных фотонов за счет рассеяния. Поскольку оптические свойства наночастиц в значительной степени зависят от их размера, существует возможность «настроить» максимум поглощения такой ячейки в различные области электромагнитного спектра.

Таким образом, можно выделить плюсы применения органических солнечных батарей:

— энергоэффективность, заключающаяся в энергосбережении и экономии затрат на оплату энергии;

— снижение вредных воздействий на здоровье людей, находящихся в зданиях с солнечными батареями;

— сохранение природных ресурсов за счет активного использования энергии Солнца.

В настоящее время многие исследователи работают над повышением следующих возможностей солнечных панелей: повышение их прочности, времени использования, и их эффективности.

Есть возможность построить органические солнечные элементы с прозрачностью, практически не отличающейся от прозрачности обычного стекла, и такими же эффективными, как непрозрачные пластиковые ячейки. Сделать это можно путем включения фотонного кристалла внутрь панели, что позволит увеличить количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения поглощаемого панелью. Таким образом, панели могут быть использованы на искривленной поверхности и в тоже время являются почти прозрачными и также их цвет можно будет изменить путем изменения конфигурации фотонного кристалла.

Одно из наиболее обещающих направлений, включает использование улучшенных органических плазменных фотоэлектрических материалов. Эти устройства несравнимы с традиционными солнечными панелями в вопросе производства электричества, но они дешевле и, благодаря их жидкой форме, могут быть нанесены на самые разные поверхности.

Таким образом, использование солнечных батарей органического происхождения открывает возможность частичного или полного замещения невозобновляемых энергоносителей, которые будут обеспечивать питание самых различных систем здания, позволяет существенно сэкономить и снизить вредное воздействие на окружающую среду. Именно поэтому данная технология актуальна в строительстве.

Источник

Новый ультратонкий органический солнечный элемент эффективен и долговечен

Разработкой новинки занималась научная группа из японского университета RIKEN в тесном сотрудничестве с международными партнерами. Совместными усилиями удалось создать сверхтонкий органический солнечный элемент, который не только долговечен, но и при этом высокоэффективен.

Как создавался элемент

Результаты своих исследований ученые опубликовали в Proceedings Национальной академии наук США. Так в опубликованном материале ученые рассказали, что такой эффективности удалось достичь благодаря использованию полупроводникового полимера для донорского слоя, созданного Toray Industries, Inc.

Для создания столь высокоэффективной органической панели был применен простейший процесс отжига при температуре 90 градусов по Цельсию с последующим прогревом заготовки при температуре 150 градусов.

Прогрев при столь высокой температуре оказался крайне важным моментом во всем технологическом процессе. Ведь благодаря этому удалось создать стабильный интерфейс между слоями органического солнечного элемента.

В результате таких манипуляций удалось получить органическую гибкую ячейку, разлагающуюся не более чем на 5 % после 3 000 часов активной работы.

При этом эффективность созданного элемента составила 13%.

Органические фотоэлементы — это одно из перспективных направлений развития солнечных панелей. Но до сих пор главной проблемой таких изделий являлась их относительно низкая эффективность, едва дотягивающая до 10% (для сравнения классические кремниевые панели обладают эффективностью до 25%). Да и еще первые образцы органических панелей быстро разлагались.

Но благодаря новой технологии удалось стабилизировать и максимально замедлить процесс разложения и существенно повысить эффективность.

А низкая себестоимость и возможность наносить сверхтонкую пленку на различные поверхности открывает широкие перспективы для использования новых органических солнечных панелей.

В частности, по словам К. Фукуда (один из авторов исследования), новые органические панели можно будет использовать в мобильной носимой электронике и всевозможных датчиках.

Научное исследование было опубликовано на портале pnas.

Если вам понравился материал, то оцените его лайком и репостом. Спасибо за уделенное внимание!

Источник

Учёные создали рекордно эффективные органические солнечные панели

Весь мир понемногу переходит на использование чистых источников энергии, но существующие технологии пока что недостаточно эффективные, чтобы полностью вытеснить традиционные методы. Учёным из университета Эрлангена — Нюрнберга удалось создать органические фотоэлементы с рекордной эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество.

Органические солнечные элементы состоят из двух компонентов, обладающих необходимыми полупроводниковыми свойствами. Благодаря небольшому весу и гибкости их можно использовать в мобильных устройствах, одежде и многих других сферах. Кроме того, такие элементы относительно недорогие в производстве.

В ходе новых исследований учёным удалось достичь рекордного коэффициента полезного действия органических фотоэлектрических модулей (OPV). Прототип состоит из двенадцати последовательно соединённых ячеек и имеет геометрический коэффициент заполнения более 95%. Эта часть модуля способствует выработке электроэнергии. Минимизация числа неактивных областей была достигнута благодаря лазерному структурированию.

Разработанный в сотрудничестве со специалистами Южно-китайского технологического университета образец OPV выдал 12,6% КПД на площади 26 квадратных сантиметров. Это самое высокое значение эффективности, когда-либо зарегистрированное для органического фотоэлектрического модуля. Для сравнения, прошлый мировой рекорд составлял 9,7% — на 30% меньше.

Важно отметить, что органические фотоэлектрические модули пока всё ещё заметно уступают в эффективности традиционным солнечным элементам на основе кремния. Однако учёные уверяют, что при дальнейшей оптимизации и достижении КПД свыше 16% OPV-панели уже можно будет использовать в коммерческих продуктах.

Источник