הפוטנציאל של תאים פוטו-וולטאיים אורגניים עבור יישומים סולאריים גמישים

מה הם תאים פוטו-וולטאיים אורגניים?

תאים פוטו-וולטאיים אורגניים (OPV) הם סוג של טכנולוגיה סולארית שמש שמשרתמת את השמש באמצעות מוליכים למחצה מבוססי פחמן, שלא כמו לוחות סולאריים קונבנציונליים, אשר מסתמכים על תנודות גבישיות קשיחות, אנרגיה אינטנסיבית, אוPVs מופרשים ממולקולות אורגניות או פולימרים שניתן לפזר אותם בתוכנות קבועות ומופקדים כסרטים דקים.

השכבה הפעילה של תא OPV מורכבת בדרך כלל מתערובת של חומרים אלקטרון-דונור ואלקטרוני-acceptor, לעתים קרובות תורם פולימר מחוספס, או מקבלן מלא או לא-משרת.כאשר פוטונים נספגים, קטעים (זוגות חד-חורניים) נוצרים ולאחר מכן מתמוססים ב-gor-aceptor התורם, ומייצרים מטען חופשי שמאוחסנים בתאים אלקטרו-מדומים אלה, אך הם אלה, אך ורקעים, הם אלה, הם אלה, אך ורקעים, הם בעלי השפעה אלקטרו-מחדשת, אך ורקמותת, אך ורק בתאים אורגניים, הם, אך ורק כדי לגרום לאפקטים, אך ורק כדי לגרום לאפקטים, אך ורק לאפקטים, אך ורק כדי לגרום לאפקטים.

OPVs נחקרו במשך עשרות שנים, אך ההתקדמות האחרונה במקבלים שאינם של סולטן, מורפולוגיה שליטה, ואדריכלות המכשיר דחפו את יעילות ההמרה כוח מעבר ל 19% בתאי מעבדה - הישג יוצא דופן בהתחשב במכשולים המוקדמים. בעוד עדיין נמוך יותר מאשר תאי סיליקון מונוקריסטלליין הטובים ביותר (אשר עולה 26%), יעילות OPV הם עכשיו תחרותי עם טכנולוגיות דקות רבות כמו סיליקון גמיש ו-ת, במיוחד בהתחשב פוטנציאל סיליקון קלסטרידי, במיוחד כאשר הם מספרים פוטנציאל סיליקון קל משקל ופוטנציאל שלהם.

כיצד פועל תאי OPV: מבט עמוק

הבנת המנגנון התפעולי של OPVs הוא המפתח להעריך את הפוטנציאל ואת האתגרים שלהם.התהליך מתחיל עם ספיגת פוטון בשכבה הפעיל האורגנית. כי מוליכים למחצה אורגניים יש קבועים דיאלקטריים נמוכים מאשר חומרים אורגניים, photoexציטוט יוצר קטעים הדוקים עם אנרגיות מחייבות של 0.3-1.0 e.V. אלה חייבים להתמזג עם חומרים מתודולוגיים נמוכים יותר בתוך החיים הקצרים שלהם (בדרך כלל) דורשות נקיות של שימוש ב-זמנית לתוך אזור נימוסיביות).

לאחר דיסוציאציה, אלקטרונים וחורים חייבים לנסוע דרך השלבים המקבלים והתורם, בהתאמה, כדי להגיע לאלקטרודות.התחבורה של מטען בחומרים אורגניים מוגבלת על ידי מקהלות נמוכות ומלכודות, מה שהופך את הבחירה של חומרים וארכיטקטורה המכשיר קריטי.בולק היטור (BHJ) מבנים, שבו תורמים ומקבלים חומרים מתמזגים ברשת דו-טרנטיבית, הפכו למטים באופן דרמטי להפחתה של שיטות להפחתה מהירה יותר, עד לאחרונה.

אחת ההתפתחויות המרגשות ביותר במחקר OPV היא הופעתם של מקבלי פנים שאינם fullerene (NFAs) שלא כמו נגזרות מלאות יותר, NFAs יכול להיות מכוון מבחינה כימית לספוג אור באזור הסמוך- infrared, המציע כיסוי ספקטרלי טוב יותר והפסדי אנרגיה מופחתים. בשילוב עם פולימרים שנועדו לקליטה משלימה, OPVs מבוססי N השיגו יעילות מהירה ושיפור היציבות בין זה לבין עיצוב מולקולרית של מערכת ההפעלה של הנדסת חשמל מגנטית.

יתרונות ונכסים ייחודיים של Photovoltaics

גמישות וגורם טפסים

היתרון המוקסם ביותר של OPVs הוא הגמישות המכנית שלהם. כי השכבות הפעילים הם בדרך כלל פחות מ 300 nm עבה והם מופקדים על פלסטיק גמיש או משקעי מתכת, את כל המכשיר יכול להיות כפוף, התגלגל או מתקפל ללא פגיעה משמעותית בביצועים.PV פותח את הדלת לשילוב סולארי על פני משטחים מעוקלים כגון גגות רכב, עק, תרמילאים, ואפילו בגדים נוקשים, שלא ניתן לבנות לתוך סיליקון, לתאים גמישים, כדי להתאים את המשתנים בצורה יעילה, לתאים בצורה יעילה, לתאים גמישה, וצורות סיליקון.

משקל אור

מודולים OPV יכולים לשקול כמה גרם למטר מרובע, בהשוואה ל 10-20 ק"ג / m2 עבור פאנל סיליקון סטנדרטי זכוכית-encapsulated. זה ירידה במשקל קריטית עבור יישומים שבהם יכולת עומס מוגבלת, כגון על גגות קלים, אוהלים, מל"טים, או מכשירים אלקטרוניים.זה גם מפחית תחבורה ועלויות ההתקנה, במיוחד מרחוק או מחוץ לריד שבו ציוד כבד הוא מקומות לא כשרים.

ייצור נמוך-קוסט פוטנציאלי

ניתן לייצר טכניקות מבוססות פתרון כמו ציפוי דיו-ידי, הדפסה דיוג'ט, או ציפוי תרסיס בטמפרטורה ולחץ, בניגוד לטמפרטורה גבוהה, תהליכים המבוססים על ואקום הנדרשים לסיליקון. שיטות אלה תואמים עם רול-to-roll (R2R) ייצור, אשר יכול לייצר כמויות גדולות של סרט סולארי במהירויות של עשרות מטרים לשילוב נמוך, כלומר, באמצעות שימוש יעיל יותר מ- 50 $, בסופו של דבר, יכול לייצר יותר של עיבוד אנרגיה עד וואט, עד יותר, עד $ עד יותר, בסופו של שימוש יעיל יותר, עד 50 $ עד כדי יותר, עד כדי יותר, עד כדי יותר, עד כדי יותר, עד כדי יותר, עד כדי כך יכול לייצר ייצור אנרגיה עד 50 $ עד 50.

שקיפות ואיתטיטיסות

על ידי הנדסה ספקטרום הקליטה של חומרים אורגניים, ניתן ליצור תאים למחצה- ⁇ OPV המאפשר חלק של אור גלוי לעבור. אלה לראות-באמצעות סרטים סולאריים ניתן לשלב בבניית חלונות, אורכי שמים, ומחמות, ייצור חשמל תוך שמירה על תאורה טבעית או צמח.

אתגרים מרכזיים העומדים בפני טכנולוגיית OPV

יעילות נמוכה יותר בהשוואה לסיליקון

Despite rapid improvements, the champion power conversion efficiency of OPVs (~19%) is still significantly lower than that of monocrystalline silicon modules (~22–24% for commercial, up to 27% for laboratory cells). The efficiency gap is partly due to the fundamental physics of organic semiconductors: broader absorption bands, larger energy losses during charge separation, and lower charge carrier mobilities. To compete in utility-scale applications, OPVs will need to achieve efficiencies of at least 20% at the module level while maintaining low cost.

אחריות וחיים

OPVs רגישים להשפלה מחמצן, לחות ואור אולטרה סגול.ללא capsulation מספיק, החומרים האורגניים יכולים חמצון או לעבור תגובות פוטוכימיות אשר להפחית את ביצועי המכשיר לאורך זמן. בעוד התקדמות משמעותית נעשתה - כמה מבודדים מודולים OPV עכשיו להראות תקופות חיים מעל 10,000 שעות תחת תאורה רציפה - זה עדיין נופל קצר של 25-30 שנה של תוחלת חיים של לוחות מכשפים, לתוך חומרים פגומים אלה, כדי למנוע בעיות מחקר יציבים.

סקלאלה וייצור קונסיסטנסיות

תרגם תהליכים בקנה מידה מעבדה ספין-קוטינג לייצור גדול-רואלה רול-to-roll מציג אתגרים אחידות קולנוע, בקרת פגם, ותשואות. וריאציות קטנות עובי ציפוי, תנאי הייבוש, או סרט מורפיולוגיות יכול לגרום סטיית ביצועים גדולים מעבר מודול. יתר על כן, השימוש של פותרים אורגניים תנודתיים בדור הבא של חומרים סביבתיים ודאגות כי חייב להיות לטפל דרך חלופות ירוקות או ללא הפרעה.

עלויות וזמינות

חלק מהחומרים הגבוהים ביותר של OPV תלויים במסלולים סינתטיים מורכבים הדורשים חומרי גלם נדירים או יקרים, כגון מתכות מעבר מסוימות או אבני בניין מיוחדות.עבור OPVs כדי להשיג שוויון בעלות נמוכה אמיתית, זול, בשפע, ומדורגים למחצה אורגניים מקיפים יש לפתח.התקדמות חדשה במקבלים שאינם משתמשים ותערובת כל מהומה היא מבטיחה, אבל עבודה נוספת היא צורך להפחית ביצועים ללא יציבות או יציבות.

יישומים פוטנציאליים של תאים פוטו-וולטאיים אורגניים

תצלומים משולבים (BIPV)

אולי השוק המבטיח ביותר לטווח קצר עבור OPVs הוא בנייה-מחדש photovoltaics.היכולת לייצר פתרון חצי- ⁇ , קל משקל, ואסתטיקה מותאם אישית סרטי שמש מאפשר לאדריכלים לשלב את הדור אנרגיה ישירות לתוך חומרי בניין - חלונות, קירות וילונות, אורכי אור שמש ואפילו צבע חיצוני יותר ויותר.

אלקטרוניקה ואלקטרוניקה

הגמישות והמשקל הקל של OPVs הופכים אותם אידיאליים עבור חשמל מכשירים לבישים כגון שעונים חכמים, צגים בריאות, ועוקבים כושר. בדים סולאריים שזורקים או מחוסנים עם סיבים של OPV יכולים לקצור אור גמיש כדי לטעון סוללות, להאריך את החיים התפעוליים ולהקטין את הצורך בטעינה תכופה.

אינטרנט של דברים (IoT) וחיישנים אלחוטיים

מיליארדי מכשירים של IoT, חיישנים, ואלקטרוניקה בעוצמה נמוכה הם פרוסים בסביבות שבו החלפת סוללות היא פעולה לא מעשית או פשטנית.תאים OPV יכולים לנקב אנרגיה מהאורות מקורה או אור שמש כדי לכפות את המכשירים האלה אלחוטית, המאפשרת הפעלה אוטונומית, ללא תחזוקה.IPVs יכול להיות מותאם לספקטרום של פלואורנט או תאורה LED, השגת יעילות של 10-15% תחת מסגרת חכמה מספיק כדי להפחית את הלחץ של אנרגיה.

תשתיות עירוניות ותחבורה

סביבות עירוניות מלאות משטחים לא מנוצלים - תחנות אוטובוס, ריהוט רחוב, מחסומים רעש וסימנים מהירים - שניתן להפוך גנרטורים סולאריים עם סרטי OPV, כי סרטים אלה קלים וקלים להתקין, הם יכולים להיות מיושם על מבנים קיימים ללא רטרוטובינג יקר.כמה ערים אירופיות כבר התקנת סרטי OPV על גגות אוטובוס כדי לספק תצוגות דיגיטליות ונקודות חמות של Wi-Fi.

חקלאות וירוקהאוס

סמי- ⁇ סרטי OPV יכולים לשמש גגות חממה או קלד ליצור חשמל תוך כדי מתן קרינה פעילה פוטוסינתזה להגיע למפעלים. על ידי כוונון הספקטרום אל קרוב- infrared, סרטים אלה ללכוד אנרגיה כי צמחים אינם משתמשים, פוטנציאל שיפור יעילות המים וצמצום עומסי קירור בתוך אימוני החממה הראו כי גידולים מסוימים, כמו מלפפונים, בדרך כלל גדל מתחת ל- למחצה-PV, יכול לגרום לירידה משמעותית של חשמל.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

המסלול של מחקר OPV מציע כי מדדי ביצועים מרכזיים - יעילות, יציבות, וקנה מידה - ימשיכו לשפר.אזורים של חקירה פעילה כוללים את הפיתוח של מקבלי חומרים חדשים שאינם lereneors ותורמים פולימרים עם ספיגת מוגברת ונכסים תחבורה מטען המטען, השימוש במזגויות ternary ו quaternary כדי להרחיב את התגובה הקישוטית, ואת שילוב של למידה כדי להאיץ חומרים מרשימים כגון סוללות (retative) אשר כבר 2, 000 תאים מתקדמים יותר, 000 קיבולת גבוהה יותר, אשר כבר קיבולת).

מחקר היציבות הוא חשוב באותה מידה.טכניקות של קידוד שכבתי או סרטים אולטרה-בריירים הפחיתו באופן דרסטי את שיעורי ההשפלה.יתר על כן, הצגת פולימרים בעלי משקל עצמי וחומרים יציבים באופן מהותי יכולים להאריך את חיי החיים התפעוליים ל-20 שנים או יותר.כמה סטארט-אפים וקונסוליה מחקרית מחקר, כולל FLT:0EL של תוכנית פוטו-וולגניטיבית של תפוצה אורגנית של ווטרלייטבייטבייט, פועלים על ידי שימוש ב-פרספקטיביים אלה, הם באמצעות בקרת איכות יעילה.

כיוון מבטיח נוסף הוא שילוב של OPVs עם אחסון אנרגיה, כגון היברידית פוטו-וולטאית-באטורה המשלבת שמש דק-סרט עם סוללות מודפסות או supercapacitors. מערכות משולבות אלה יכולים לספק מקורות כוח עצמיים ניידים עבור רגיש מרחוק, תגובה חירום, ואלקטרוניקה צרכנית. בטווח הארוך יותר, מחזורי שלם ו- OPVable biodegradable ניתן לחקור לכתובת סביבתית, באמצעות חומרים הניתנים לשימוש חוזר.

אנליסטים בשוק מעריכים כי שוק photovoltaics גמיש בעולם, המונע בעיקר על ידי OPVs ו היברידיות perovskite-אורגנית, יכול לגדול מ-0.5 מיליארד דולר ב 2024 ליותר מ -5 מיליארד דולר עד 2035.As הייצור בקנה מידה גבוה ועלויות ליפול, OPVs צפויים להיות אופציה מרכזית לבניית מבנים מחוסנים ומסולקים, משלימים במקום להחליף לוחות סיליקון קונבנציונליים.

מסקנה

תאים פוטו-וולטאיים אורגניים מייצגים שינוי פרדיגמטי בטכנולוגיית אנרגיה סולארית, המציע גמישות, אורנות ומיומנות נמוכה כי לוחות סיליקון מסורתיים אינם יכולים להתאים את עצמם, בעוד אתגרים ביעילות, יציבות ודרגתיות נשארים, הקצב המהיר של חדשנות חומרית ומכשירית סוגר את הפער.עם יישומים מגוונים החל מבניין-מחדש כוח ואלקטרוניקה לבישת לחיישנים חקלאיים, OPVs הם בלתי-אפשריים לנרשמים בהקשרים או כלכלי.

ככל שמאמצים מחקריים ומסחריים להאיץ, photovoltaics אורגני לא רק להרחיב את טווח האנרגיה המתחדשת, אלא גם יאפשרו מערכת יחסים משולבת יותר, אסתטית הרמונית בין טכנולוגיה לסביבות יומיומיות.עתיד האנרגיה הסולארית אינו רק מלבנים כחולות קשיחות על גגות - הוא גמיש, שקוף ומוטבע לתוך הבד של חיינו.