Печатные фотоэлементы с высокой эффективностью преобразования солнечной энергии

По мере того, как мировой спрос на ископаемые виды топлива стремительно истощает их запасы, ученые всех стран все больше внимания уделяют разработке способов генерации альтернативной энергии – в особенности экологически чистых и недорогих. Новые фотовольтаические краски (чернила) и материалы могут стимулировать широкое развитие возобновляемой солнечной электроэнергетики.

Гидроэлектрические, солнечные, ветровые, ядерные, биологические технологии мало-помалу начинают вытеснять уголь, нефть и газ. Многие из новых технологий имеют близкую стоимость, но по-прежнему ограничением широты их применения являются проблемы производства специализированных материалов или сложности инфраструктуры. При приблизительно 125000 Тераватт солнечной энергии, попадающей на Землю, фотовольтаические (ФВ) технологии могли бы удовлетворить большую часть мирового спроса в электроэнергии. ФВ технологии экономичны, преобразуют возобновляемую энергию и пригодны для внедрения в больших масштабах.

Солнечные батареи первого поколения используют кремниевую технологию. К сожалению, достаточно большие производственные расходы не дают возможности этой технологии стать конкурентоспособной. ФВ устройства второго поколения, использующие тонкопленочную технологию аморфного кремния, теллурида кадмия или диселениды медь-индий-галлия, дешевле, чем кремний. Однако и эти устройства не получили широкого распространения, поскольку такие материалы вызывают определенные экологические и производственные проблемы. Наконец, третье поколение фотоэлементов- органические фотовольтаические элементы могут произвести значительно более дешевую солнечную энергию. Такие элементы основаны по сути на электропроводящих полимерах. Полимерные устройства могут быть напечатаны или нанесены другими способами, например, как обычная краска (чернила), на подложку. При этом могут быть использованы известные, широко распространенные дешевые методы печати. В дополнение, исходные материалы для таких красок – повсеместны – и практически не оказывают негативного влияния на окружающую среду.

Для исследования новой технологии Райтеш Типнис (Ritesh Tipnis) и Дэрин Лэрд (Darin Laird) («Printing efficient solar cells» http://spie.org/x31682.xml?…) из фирмы Plextronics Inc., штат Пеннсильвания, разработали структуру органической фотовольтаической краски (фотовольтаических чернил). Новая структура способна решить ряд проблем, с которыми сталкиваются традиционные фотовольтаические технологии, а также существенно эффективнее известных фотовольтаических красок. Системы органических фотовольтаических красок, разработанных авторами, уже доступны для исследовательских целей разработчикам печатных солнечных фотоэлеменов.

PrintingSolarCells2_123108_0.jpg Рис.1. Органико-фотовольтаическая (ОФВ) многослойная система. Слои: дырочной проводимости (Hole Transport Layer) и фотоактивный (Photoactive Layer) формируют собственно фотовольтаическую краску (ITO- оксид индий-олово)

На рис.1 изображена архитектура типичного p-n – соединения в многослойной ОФВ системе фирмы Plextronics. В качестве анода использован прозрачный электрод из оксида индий-олово, нанесенный на пластик или стекло. Обычно анод покрывают слоем краски с дырочной проводимостью толщиной до 100 нм. Этот слой краски проводящей выравнивает рельеф поверхности анода и упрощает улавливание положительно заряженных носителей (дырок) с наружного слоя, принимающего солнечное излучение. Фотоактивный слой состоит из полупроводникового полимера p-типа и материала n-типа, которые смешаны в растворителе. Катод как правило изготавливают из кальция или алюминия.

Показатели ОФВ зависят от региорегулярных свойств (regioregularity) совершенно нового полимера из семейства тиофенов – poly-3-hexylthiophene (P3HT), который входит в состав многослойной системы. Фотоактивная пленка формируется из смеси P3HT и другого полимера – PCBM, по составу известного как [6,6]phenyl-C61 butyric-acid methyl ester. Именно такая смесь используется в некоторых наиболее эффективных органических фотоэлементах сегодняшнего дня. В комбинации со слоем краски с дырочной проводимостью в подобных системах получена эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую порядка 3–4% (в лабораторных образцах).

Авторы настоящей работы разработали новые р- и n- типы материалов с уникальными электрооптическими свойствами (наиболее плотно заселенный молекулярный энергетический уровень, ширина запрещенной зоны, подвижность зарядов) и морфологическими свойствами, которые дают более высокие показатели ОФВ систем. Новая технология позволила получить эффективность лабораторных фотоэлементов, равной 5,98% и больших полевых модулей фотоэлементов, равной 1,56% (см. рис. 2 и 3). Работа по увеличению эффективности системы и долговременной стабильности ее характеристик продолжается сразу по нескольким направлениям. Основными из них на сегодня являются усовершенствование технологии синтеза материалов и формулы фотовольтаической краски, а также дизайн и изготовление самого устройства.

PrintingSolarCells3_123108_0.jpg Рис. 2. Эффективность лабораторного ОФВ элемента (размер приблизительно 5х5 мм), сертифицированного в National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Группа участвует в программе Министерства Энергетики США Solar America Initiative, где основными задачами стоят усовершенствование фотовольтаической краски и собственно технологии преобразования солнечной энергии в электрическую. Последние достижения в этой области должны ускорить общую товарность фотовольтаических элементов. Эта технология может серьезно способствовать поддержке потребности в экологически чистых возобновляемых источниках энергии путем массового производства дешевых ОФВ устройств. Первые из таких продуктов, разработанные группой ученых фирмы Plextronics уже запущены в производство, но исследовательские работы продолжаются.

PrintingSolarCells4_123108_0.jpg Рис.3. Эффективность полевого ОФВ модуля (размер приблизительно 15.2×15.2 cм), сертифицированного в NREL

Евгений Биргер

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.4 (15 votes)
Источник(и):

Публикация: http://spie.org/x31682.xml?…



Anonymous аватар

НАНОТЕХНОЛОГИИ в любом случае следует развивать. Но эти технологии могут принести и опасность миру. В самом деле, власть рф вполне может использовать новые открытия для нанесения вреда собственным гражданам. Без правового обеспечения нанотехнологии могут быть использованы в целях нового вида рабства одних по отношению к другим.

Anonymous аватар

Развитие подобной технологии несёт Человеку свободу. А термин «фотовольтаический» вызывает у русского таинственное недоумение, как говорил русский классик.

Anonymous аватар

Блин! А почему именно и только в РФ?! ЛЮБАЯ власть в ЛЮБОЙ стране – это такая сука, что может использовать любую пакость во вред людям!

Anonymous аватар

В абстракте статьи сразу же сделано ложное заявление о экологической выгоде ОПП по сравнению с тонкопленочным (aSi or nSi) кремниевыми структурами. Практически все известные мне ОПП и их легирующие добавки – ядовиты и недолговечны, а режимы работы солнечных элементов очень жестки. Для производства современных тонкопленочных СЭ, вобщем, необходимы силан, фосфин, диборан и диэтилцинк. Обьемное количество материалов в TF производстве в сотни раз меньше, чем в обычном (bulk) микроэлектронном производстве. Технология нанесения пленок и утилизация отходов производства развивается уже полвека и достигла почти «зеленого» уровня. Теоритически результат исследований очень интересный. Но подача метериала – тенденциозна. Стоит помнить: не все, что написано – правда впоследней инстанции.

hextler аватар

PCBM ne polymer, takie dela. PS sorry for translit