מבוא

אנרגיית השמש הפכה לאחד מקורות האנרגיה המתחדשים הצומחים ביותר, המונעת על ידי דחיפה הגלובלית לדה-פחמיזציה של הדור של חשמל. בעוד לוחות סולאריים של קריסטל סיליקון שולטים בשוק עם יעילות של מעל 22% ותוחלת חיים ארוכה, המבנה הנוקשות שלהם ועלויות ייצור גבוהות להגביל את הפריסה ביישומים מסוימים.PVvoltaics אורגני (OPVs) מציעים גישה חלופית: במקום סיליקון, הם משתמשים בפחמיים אורגניים כדי ליצור תאים גמישים ולהוביל אנרגיה כדי ללכוד חומרים חשמליים.

מה הם photovoltaics אורגני?

פוטו-וולטאיקים אורגניים הם סוג של תאים סולאריים המשתמשים בשכבות דקות של חומרים אורגניים (פחמן המכיל) כמו מחסנים אור פעילים ומדורגים מטען בינוני.בניגוד למוליכים למחצה אורגניים כגון סיליקון, מולקולות אורגניות ופולימרים יש אפילו קבועי דיואלקטריים נמוכים יותר וצורה (עמודי אלקטרו-טון) על קליטורים.

ההבחנה העיקרית של photovoltaics סיליקון היא בנכסים החומריים.למוליכים למחצה אורגניים יש חסכוניים ספיגה גבוהה, כלומר הם יכולים לספוג אור בסרטים רק כמה מאות ננומטר עבה - בערך 100 פעמים דק יותר מאשר סיליקון טיפוסית wfer. זה דקות מאפשר גמישות וחצנות למחצה.בנוסף, הסינתזה של מולקולות אורגניות לא דורש את קצבת גבוהה, גבוה-חום עבור תהליכים סיליקון-עלויות, בנוסף, צמיחה נמוכה.

כיצד פועל OPVs: הפיזיקה של תאים סולאריים אורגניים

המרת אור השמש לחשמל ב- OPV כוללת מספר שלבים.1, השכבה הפעילה האורגנית סופגת פוטונים, קידום אלקטרונים מהמשקפה המולקולרית הגבוהה ביותר (HOMO) אל מסלול מולקולרי הנמוך ביותר (LUMO) ויצירת יציאת גבול הדוקה באופן ספונטני, מכיוון שלחומרים אורגניים יש קבוע דיאלקטרי נמוך (כ 3-4), המשיכה הקומומבית בין האלקטרונים המלהבים והבורים היא בדרך כלל מורכבת מ- 0.3Vate אנרגיה.

הפתרון הוא ליצור צומת בין שני מוליכים למחצה אורגניים: תורם אלקטרוני ואלקטרוני מקבלן. כאשר exciton שנוצר התורם מגיע ממשק התורם-קבלן, הביצועים האנרגיה (הקצאת רמות LUMO) מספק את הכוח המניע להפריד את ה- Exciton, העברת האלקטרונים לתהליך קבלת זה, הנקרא העברה מושרה, מתרחשת על פני השטח המהיר, אם הם יכולים לעבור את האלקטרומגנטים, ברגע שהם לא יכולים לעבור את האלקטרון יעיל, ברגע שהם יכולים לעבור דרך האלקטרון, ברגע שהם יכולים לעבור את ה-זמנית, לאחר נסיעה מהירה, ברגע שהם לא ניתן לעבור דרך האלקטרומגנטית, ברגע שהם חייבים לעבור את האלקטרומגנטית, ברגע שהם עוברים דרך האלקטרומגנטית, לאחר מכן, ברגע שהם יכולים לעבור את האלקטרומגנטיתית, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר נסיעה דרך האלקטרון יעיל.

השכבה הפעילה מורפולוגיה - תערובת ננומטרית של התורם ומקבל - היא חיונית.אדריכלות ההטרוטורית הגדולה, שבה התורם ומקבל מתמזגים יחד, ממקסימה את אזור הממשק תוך מתן מסלולים רצופים עבור אלקטרונים וחורים כדי להגיע לאלקטרודות. החוקרים מייעלים את המורפולוגיה זו באמצעות בחירה של חומרים, עיבוד, אנמדיקים, תוספים תרמיים, תוספים ותוספים.

חומרים מרכזיים ב-Virttaics

חומרים רעילים

התורמות המוקדמות של OPVencies היו מפוזרים פולימרים כמו פולי(3-hexylthiophene) (P3HT), אשר סופג בעיקר באזור כחול-ירוק ולהשיג יעילות צנועה במהלך העשור האחרון, תורמים התפתחו לכלול פולימרים בעלי פס נמוך ומולקולות קטנות שמרחיבות את הקליטה לתוך מערכות פופולריים קרוב-infrared.

חומרים מקובלים

הקפיצה הגדולה ביותר בביצוע OPV באה מן המעבר מן מקבלי מלא יותר (כגון PCBM) למקבלים שאינם fullerene (NFAs) היו ניידות טובה אבל ספיגה חלשה בספקטרום הנראה. NFAs כמו ITIC ו- Y6 הם מולקולות מבוללות כי סופגות חזק בכמעט- in the Near-infrared, משלימים את ספיגת התורמים של Y6, שפותחו לאחרונה על ידי מולקולה של YB8, ולאחר מכן, 000 תאים יחיד.

שכבת ביניים ותחבורה

חומרים כמו תחמוצת אבץ (ZnO), פולי(3,4-ethylenedioxythiophene) פוליסטרורין sulfonate (PEDOT:PSS), ומו-O3 משמשים בדרך כלל כאלקטרון או שכבת הובלה חור.שכבות אלה להבטיח מגעים הומימיים, לחסום תגמול לא רצוי, ולשפר את יציבות המכשיר.

יתרונות של photovoltaics

גמישות ומשקל אור

מכיוון ששכבות OPV יכולות להיות מופקדות על מפלסטיק, מפרשי מתכת, או נייר תת-שכבות בטמפרטורות נמוכות (בנמוך 150 מעלות צלזיוס), המכשירים וכתוצאה מכך הם גמישים וקלים מאוד – פחות מ-1 ק"ג למ"ר במקרים מסוימים.זה מאפשר שילוב לתוך משטחים מעוקלים, מטעני רכב, גגות ואפילו בדים ליבול אנרגיה עוטה.

ייצור נמוך-קוסט פוטנציאלי

ייצור OPV משתמש בתהליכים מבוססי פתרון - כגון ציפוי חריץ-ידי, הרופאה הנקה, ציפוי ריסוס, הדפסה דיוג'ט, הדפסה רול-to-roll - שפועל בלחץ ממין וטמפרטורות בינוניות. זה ניגודים בחדות עם הציפוי גבוה, תנוחה גבוהה של זמן הנדרשת עבור סיליקון וסרט דק בתאי אורגניים.

שקיפות וצבע

ניתן לבצע שכבות פעילות של OPV על ידי בחירת חומרים הספוגים בעיקר ליד- infrared, המאפשר אור גלוי לעבור.נכס זה אידיאלי עבור בנייה- inegrated photovoltaics (BIPV) - חלונות, אורכי שמים וחזיתות אשר מייצרים חשמל תוך שמירה על אור היום.

יתרונות סביבתיים

חומרים אורגניים מורכבים בעיקר פחמן, מימן, חמצן וחנקן, וניתן לסנתז מזין מתחדשים במקרים מסוימים. בעוד הנוכחי OPVs עדיין להשתמש תחמוצת tin נתרן (ITO) כאלקטרודה שקוף - נתרן הוא נדיר רעיל - חוקרים מפתחים חלופות כגון ננו-חוטי כסף, מודולי פחמן, וגרף.

אתגרים נוכחיים מול photovoltaics אורגני

כוח ההסכמה Efficiency

למרות התקדמות מהירה, יעילות השיא עבור תאים סולאריים חד פעמיים (~19%) עדיין נמוך יותר מהסיליקון הטוב ביותר (26.8% עבור monocrystalline) ותאים סולריים perovskite (26%) במודולים מעשיים, יעילות יורדת עד 12-15% בשל הפסדים מדרג. יישומים הדורשים כוח ספציפי לאזור (למשל, חוות יעילות) כיום סיליקון, גמישות נמוכה או יישומים כבר.

יציבות וארוכותיות

חומרים אורגניים מתפוגגים תחת תאורה מתמשכת, במיוחד בנוכחות חמצן ולחות.צילום של השכבה הפעילה, הגירה של אלקטרודות מתכת, שינויים מורפולוגיים בצומת הגדול של כל תקופת ההנקה מופחתת חיי המכשיר, בעוד ש- OPVs מבודד יכול כעת לשרוד אלפי שעות במבחנים מואצים (פרוטוקולים של SOS), תקופות חיים תפעוליים של 10-20 שנים - אופייניים לפאנלים - נשאר אתגר חדש ב- 5 שנים רצופות.

גדולי ארץ סקאלה

ייצור רול-טו-גלגל הוא מהיר, אבל הפקת סרטים אחידים, ללא פגם על אזורים גדולים קשה. Pinholes, ציפוי וריאציות עובי, וחוספס substrate יכול לגרום ל tunts ו מופחת למלא גורם.עבור מודולים עם אזורים >100 ס"מ2, יעילות ההמרה כוח לעתים קרובות טיפות על ידי 20-30% יחסית תאים קטנים-ared מתקדם טכניקות ועיצוב (למשל, לייזר, כדי למזער אזורי מת).

Indium Tin Oxide תלות

רוב OPVs להשתמש ITO כמו אלקטרודה הקדמי שקוף. Indium הוא משאב נדיר עם עלות גבוהה רעילות סביבתית. הצבת ITO עם מוליך שקוף פחמן מבוסס פחמן או רשתות מתכת הוא אזור מחקר פעיל. nanowire אלקטרודות הראו הבטחה, אבל הם סובלים מ קורוזיון והתנגדות גבוהה בדת גיליון נמוך.

תהליכי ייצור: ממעבדה ועד פאב

תרגם OPV מהמעבדה לייצור מסחרי דורש ייצור מצופה, גבוה-yield.הגישה הבוגרת ביותר היא רול-to-roll (R2R) ציפוי מזל על סולרי פולימרים גמישים (למשל, פוליאתילן terephthalate (PET) או polyethylenehthalateate (PEN) , R2R, תת-סטרים המיוצרים ממרחק של 8 מטרים) ו-D מ-D (מתאים) עם מספר מודולים ללא הרף) או יותר מ-D) או מ-D) או מ-D2D) או מ-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

שיטות הדפסה כגון גרפיות, flexographic, ו הדפסה דיוג'ט מאפשרות דפוס מדויק, המאפשרת ייצור של מודולים סולאריים שקוף עם דפוסים מתענגים אסתטיים לבניית אינטגרציה. קבוצות מחקר עצמאי גם פיתח שיטות להפקיד OPVs על נייר וטקסטיל, פתחים עבור אריזה חכמה ואלקטרוניקה לבישה.

יתרון מרכזי אחד של ייצור OPV הוא האנרגיה המומתלת הנמוכה.הערכה של גולגולת-למחקר מגלה כי מודולי OPV דורשים כ-5-10% מהאנרגיה העיקרית הדרושה לייצור לוחות סיליקון.עבור יישומים רבים, זה מתורגם לזמן של תגמול פחמן של פחות משנה.

יישומים ומקרי שימוש עתידיים

תצלומים משולבים (BIPV)

השקיפות של OPVs, טונה צבעונית וגמישות קלה להפוך אותם אידיאליים עבור חלונות, קירות וילונות, ו Atria. חברות כמו Heliatec (גרמניה) לייצר סרטי OPV גמישים שניתן להפליג על משטחי בניין קיימים ללא חיזוק מבני. בעוד BIPV הוא עדיין חלק קטן של השוק הסולארי, הוא גדל במהירות, במיוחד באירופה שבו תקני אנרגיה עבור מבנים הם הידוק.

אלקטרוניקה ו-Off-Grid Electronics

מודולים קלים של OPV יכולים להשתלב תרמילאים, אוהלים, מצעים קמפינג כדי לחייב טלפונים, טבליות, אורות. עבור בילוי בחוץ, OPVs מציעים דרך לייצר כוח ללא לוחות סיליקון כבדים. בהקשרים הומניטריים, OPVs רול ניתן אוויר-דרופים כדי לספק כוח חירום עבור מכשירים רפואיים ותקשורת באזורי אסון.

חקלאות (Agrivoltaics)

סרטי סמי ⁇ OPV יכולים להיות פרוסים על פני חממות או שדות חקלאיים, המאפשרים לחלק מאור השמש לעבור לצמיחה צמחית תוך יצירת חשמל. כי OPVs יכול לספוג בעיקר בכמעט- infrared (אשר פחות יעיל עבור פוטוסינתזה), הם יכולים להיות נועדו להעביר קרינה פעילה פוטוסינתזה באופן משמעותי (PAR) תוך איסוף אנרגיה מוקדם הראו כי OPV על פני גידולים יכול להפחית את היבול, יבול ללא השפעה משמעותית, יבול, ירידה משמעותית.

יישומים פנימיים ו-IoT

ניתן לייעל את ה- OPVs ל לקצור אור מקורה (השפעה או LED), שבו הם כבר תאים סיליקון פורמולציה ביעילות כי חומרים אורגניים מתאימים יותר לספקטרום הפנימי.זה הופך אותם אידיאליים לעוצמה של האינטרנט של דברים (IoT) חיישנים, תוויות חכמות ומכשירים ניטור מרחוק.עם הגידול של מבנים חכמים ותאומים דיגיטליים, חיישניים המופעלים על ידי OPV יכולים לחסל את הצורך בחלופה בעשרות מיליוני .

דוגמה: Wearables

חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' פיתחו סיבים של OPV שניתן לזעום לתוך הבד בשילוב עם סוללות פילים דקים, מעיל יכול לייצר מספיק כוח כדי להפעיל סמארטפון או GPS במהלך יום של פעילות חיצונית.

מחקרים אחרונים פורצים

שדה ה- OPVencies ראה התקדמות יוצאת דופן רק בחמש השנים האחרונות.ב-2019, Y6 מקבלטור אפשר PCE של 15.7% (Zou et al.) עד 2021, יעילות שיא הגיעה ל-18.2% (Cui et al., 2021), וב-2023, קבוצות עצמאיות דיווחו 19.3% עבור תאים חד-צדדיים באמצעות מקבלה חדשה בשם L8-BO Tandem, אשר הכפילו את תאי OPV, כמעט 20, כמעט עד לשנת 2018.

שיפורים משמעותיים גם כן. Encapsulated OPV מודולים המבוססים על PM6: Y6 המערכת נשמרת > 80% מהביצועים הראשוניים לאחר 10,000 שעות של תאורה רציפה 1-sun (שווה ערך ל 3-4 שנים של חשיפה חיצונית באקלים מתון) אסטרטגיות חדשות כדי לדכא photo-oxidation, כגון תוספת של קובצי חמצן בודדים ו אולטרה סגולות, הוכחו באמצעות ייצוב נוסף של מתחמי דם.

בחזית הייצור, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, הפגינו מודולים מודפסים לחלוטין של OPV על תת-שכבות גמישות עם PCE של 12.2%, באמצעות פותרים לא-המוחניים - צעד לקראת ייצור שפיר סביבתית.בנוסף, פיתוח מכשירים ללא תשלום באמצעות אלקטרודות ננו-חוט כסף בשילוב עם גרפן או פוליקולריות מוליכים השיגו > 10% על אזורים בקושי, הסתמכות על יסודות גדולים על פני PC.

שוק ו-Outlook

בעוד ש- OPVs מייצגים כיום פחות מ-0.1% מהשוק העולמי פוטו-וולטאי, כמה סטארט-אפים וחברות מבוססות מתעצמות הייצור.הליטק (גרמניה) מייצרת סרטי OPV עבור חזיתות בנייה וחממות, בטענה ש- PCE של כ -10% במודולים.PV (Denmark) מציעה הערכות מורכבות של OPV עבור צרכנים מדי שנה.

הפחתה של עלויות יונעו על ידי הדפסה מהירה, תת-קרקעית בעלות נמוכה, ומבנים פשוטים של מכשירים.אם מודולים של OPV יכולים להיות מיוצרים ב $0-20- $0.50 / Wp (בהשוואה ל $ 0.110 $ 0.30 / Wp עבור סיליקון), הגורם הייחודי שלהם עומס משקל נמוך יאפשר יישומים שבהם לא יכול להתחרות.

עם זאת, OPVs חייב להתגבר על התפיסה של להיות "יעילות נמוכה" ו "לא פתור" שיפורים רציפה בחומרים, capsulation, ועיצוב מודול צפויים לגשר על פער הביצועים. תמריצים ממשלתיים עבור מבניין, הביקוש הגובר ל השמש גמישה באלקטרוניקה הצרכננית יזרז עוד יותר אימוץ.

מסקנה

פוטו-וולטאיקים אורגניים הם טכנולוגיה סולארית מתפתחת במהירות עם פוטנציאל להשלים - ובכמה יישומים להחליף - לוחות סיליקון קונבנציונליים. המאפיינים הייחודיים שלהם של גמישות, משקל נמוך, קוצר ראייה, וייצור זול פתוח שווקים חדשים כגון בנייה-שמש, אלקטרוניקה ניידת, מכשירים ניידים, מכשירים מכווצים, סרטים חקלאיים, למרות אתגרים בהשקעות, יציבות, וייצור בקנה מידה גדול, נשאר העשור האחרון, עד כהקדמה מתקדמת לתהליכי חשמל מתקדמים, עם שיפור של 20%, שיפור תהליכים תפעוליים מתקדמים, שיפור, החל מתחומים תפעוליים מתקדמים, שיפור, שיפור, ו-עשר חודשים מתקדמים, שיפור יעילותם של מחזוריים מתקדמים, ו- 12 חודשים, עם שיפור יעילותם של מחזוריים מתקדמים, ו-עשר חודשים מתקדמים, עם שיפור יעילות תפעוליים מתקדמים, ו-עשר חודשים, ו-עשר חודשים, עם שיפור יעילות תפעוליים מתקדמים, עם שיפור יעילות תפעוליים מתקדמים, וחיישנים תפעוליים מתקדמים, עם שיפור יעילותם של מחזוריים מתקדמים, עם שיפור יעילותם של מחזוריים מתקדמים, עם שיפור יעילות תפעוליים מתקדמים, עם שיפור יעילותם של מחזור חיים תפעוליים מתקדמים, עם שיפור יעילותם של מחזוריים מתקדמים, עם שיפור יעילותם של מחזור חיים תפעוליים מתקדמים, ו-עשר חודשים, ו-עשר חודשים, ו