Cosa sono Fotovoltaici Organici?

I fotovoltaici organici (OP&V) rappresentano una classe di tecnologia delle celle solari che sfrutta i polimeri semiconduttori a base di carbonio e le piccole molecole per convertire la luce in energia elettrica.

Il principio operativo fondamentale inizia quando un fotone viene assorbito dal semiconduttore organico, eccitando un elettrone dal più alto orbitale molecolare occupato al più basso orbitale molecolare non occupato, creando un eccitone strettamente legato. Questo eccitone si diffonde all'interfaccia donor-acceptor, dove si verifica il trasferimento di carica, generando vettori di carica liberi che vengono poi raccolti agli elettrodi.

Il campo del fotovoltaico organico ha avanzato considerevolmente dalla prima dimostrazione di un dispositivo OPV bilayer di Ching Tang a Eastman Kodak nel 1986, che ha raggiunto circa l'1% di efficienza di conversione di potenza. Oggi, le celle OPV su scala di laboratorio hanno superato l'efficienza del 19%, e la ricerca continua a spingere oltre il 20%, avvicinandosi alla fattibilità per applicazioni commerciali.

Come OPVs Differire da celle solari di Silicon

Le celle in silicio cristallino raggiungono efficienze superiori al 26% nelle impostazioni di laboratorio e mantengono una durata di vita operativa di 25-30 anni con una degradazione minima. I OPV, al contrario, offrono una proposizione di valore fondamentalmente diversa, radicata nella produzione a basso costo e nella flessibilità meccanica, piuttosto che nell'efficienza raw.

Le celle a silicone richiedono un'elaborazione ad alta temperatura, una deposizione sottovuoto e condizioni di pulizia, costi di capitale di guida verso l'alto. I OPV possono essere fabbricati utilizzando la stampa a rulli, il rivestimento a slot-die o la deposizione a spruzzo in condizioni ambientali, riducendo drasticamente sia il tempo di rimborso energetico che la complessità di produzione.

Silicon è un semiconduttore indiretto, il che significa che richiede strati relativamente spessi e n. 8212; cerchi di micrometri e n. 8212; per assorbire la luce solare sufficiente. I semiconduttori organici hanno bandgapi diretti con elevati coefficienti di assorbimento, consentendo a strati attivi solo 100-300 nanometri di spessore per catturare la maggior parte dei fotoni incidenti. Questa differenza nella resistenza all'assorbimento è un motivo che i semitrasmettitori possono essere

Vantaggi chiave della fotovoltaica organica

I vantaggi dei OPV si estendono attraverso scenari di produzione, distribuzione e fine utilizzo, e ogni vantaggio deriva dalle proprietà fisiche e chimiche uniche dei semiconduttori organici e dai metodi di lavorazione che permettono.

Flessibilità meccanica e fattore forma

I semiconduttori organici possono essere depositati su substrati plastici come il terephthalate di polietilene o il naftalito di polietilene, producendo celle solari che possono essere piegate, laminate o avvolte intorno a superfici curve. Questa flessibilità consente di integrare OPV in materiali da costruzione, pannelli per il corpo del veicolo e elettronica portatile in modi che i pannelli rigidi di silicio non possono abbinare.

Costruzione leggera

Poiché gli strati organici attivi sono meno di un micrometro di spessore e di substrati flessibili sono molto più leggeri del vetro, i moduli OPV possono pesare fino a poche centinaia di grammi per metro quadrato. Questo peso basso è fondamentale per applicazioni come droni, veicoli elettrici e attrezzature militari portatili, dove ogni chilogrammo di carico riduce la gamma o la resistenza.

Produzione a basso costo

La capacità di elaborare semiconduttori organici dalla soluzione consente la stampa roll-to-roll ad alta produttività, analoga al modo in cui vengono prodotti i giornali e gli imballaggi. Non sono necessari passaggi sotto vuoto, e l'ingresso di energia per la produzione è significativamente inferiore rispetto al silicio.

Proprietà ottimizzabili

Gli chimici organici possono modificare la struttura molecolare dei materiali donatori e di accettazione per spostare gli spettri di assorbimento, regolare i livelli di energia e migliorare il trasporto di carica. Questa capacità consente ai OPV di essere progettati per specifiche condizioni di illuminazione, come la luce interna o diffusa, dove possono essere sovraperformati al silicio. Ad esempio, OPV ottimizzati per l'illuminazione interna hanno dimostrato efficienze superiori al 26% in illuminazione a LED, rendendoli attraenti per l'alimentazione di Internet of Things sensori.

Personalizzazione dei semitrasparenti e dei colori

Grazie alla regolazione dello spessore e della composizione dello strato attivo, OPVs può essere realizzato in semitrasparente con tonalità di colore neutre o su misura. Questa proprietà è particolarmente preziosa per il fotovoltaico integrato da edifici, dove le considerazioni estetiche spesso determinano l'adozione. Gli architetti possono incorporare OPV semitrasparenti in finestre, lucernari e pareti tenda, generando energia elettrica mantenendo l'illuminazione naturale e il comfort visivo.

Limitazioni attuali e sfide tecniche

Nonostante questi vantaggi, i OPV affrontano ostacoli significativi che devono essere superati prima che si verifichino una diffusa commercializzazione. Le tre sfide più pressanti sono l'efficienza di conversione di potenza, la stabilità operativa e la scalabilità.

Contratti di efficienza

Le più alte efficienze di conversione di potenza per OPV monogiunti sotto l'illuminazione standard AM1.5G sono circa 19-20%, rispetto a oltre 26% per il silicio cristallino e 47% per le celle di concentratore multigiunti. I modelli teorici suggeriscono che i OPV monogiunti hanno una massima efficienza di circa 25-27% a causa del limite Shockley-Queisser, che limitano tutte le celle solari a sovrastazioni.

Il divario di efficienza rispetto al silicio è restringimento, ma i moduli OPV nella produzione commerciale raggiungono tipicamente solo 10 - 15%, con perdite significative che si verificano durante la scala-up da piccole celle di laboratorio a moduli di grande area.

Stabilità operativa e durata

I OPV non isolati possono perdere le prestazioni entro ore di esposizione alle condizioni ambientali. Con un'adeguata incapsulazione utilizzando film di barriera che bloccano l'ossigeno e il vapore acqueo, i moduli commerciali OPV hanno dimostrato una durata di 5-10 anni, che è adeguata per alcune applicazioni ma molto breve della garanzia di 25 anni standard nel settore silicio.

I meccanismi di degrado sono complessi e interconnessi. L'ossidazione foto abbatte la spina dorsale del polimero, mentre i cambiamenti morfologici nell'eterogizione di massa riducono l'efficienza della separazione della carica. Le reazioni interfacciali tra lo strato attivo e i materiali elettrodi possono creare strati di barriera che impediscono l'estrazione della carica. I ricercatori stanno sviluppando strutture molecolari intrinsecamente stabili, strategie di incapsulamento e architetture del dispositivo per estendere la stabilità operativa oltre 15 anni.

Consistenza della scalabilità e della produzione

La scalatura da parte di celle di laboratorio con rivestimento a rotazione, spesso solo pochi millimetri quadrati in area, a moduli fabbricati roll-to-roll che spaziano dai metri quadrati presenta notevoli sfide ingegneristiche. Mantenere l'uniformità dello spessore del film, controllare la morfologia durante la deposizione ad alta velocità, e garantire prestazioni elettriche riproducibili in grandi aree richiedono un controllo preciso del processo.

Materiale Alimentazione e Sostenibilità

Molti materiali OPV ad alte prestazioni si basano su elementi scarsi o tossici, anche se meno di alcune tecnologie a film sottile come la telluride del cadmio. L'ossido di stagno indio, il materiale standard dell'elettrodo trasparente, contiene l'indio, che è relativamente raro e soggetto alla volatilità dei prezzi.

Ricerca Frontiere Guidare il progresso

La comunità di ricerca OPV continua a spingere i confini attraverso più fronti, dalla chimica dei materiali alla fisica dei dispositivi alla scienza della produzione.

Accettatori non-Fullerene

Lo sviluppo di accettatori non-fullerini è stato l'avanzamento più trasformativo nella ricerca OPV nel decennio passato.A differenza di accettare materiali fullerene-based, che hanno limitato l'assorbimento nello spettro visibile e la stabilità morfologica scarsa, gli accettatori non-fulleni come Y6 e i suoi derivati offrono un forte assorbimento, livelli di energia sintonizzati e proprietà di imballaggio superiori.

Tandem e Multijunction Architectures

I Tandem OPVs impilano due o più sottocellule con spettro di assorbimento complementare per ridurre le perdite di termoizzazione e aumentare la tensione complessiva. Un tipico design tandem accoppia una cella anteriore a larga banda (ammortizzando la luce blu e verde) con una cella posteriore a banda stretta (ammortizzando la luce rossa e quasi infrarossa).

Incapsulamento e Barrier Technology

La durata di OPV in attesa richiede l'incapsulamento che impedisce l'ingresso di ossigeno e vapore acqueo. L'incapsulamento di vetro tradizionale offre eccellenti proprietà di barriera, ma nega il vantaggio di flessibilità di OPV. Film di barriera flessibili utilizzando strati alternanti di ossidi inorganici e polimeri organici possono raggiungere i tassi di trasmissione del vapore acqueo inferiori a 10-4] g/mday

Tecniche di produzione di grande area

Il rivestimento di Slot-die è attualmente la tecnica più ampiamente studiata per la produzione di OPV perché offre un buon controllo dello spessore, un'elevata utilizzazione dei materiali e la compatibilità con la lavorazione roll-to-roll. La stampa di Gravure, la stampa a getto d'inchiostro e il rivestimento spray sono anche in fase di accelerazione, ogni offrendo diversi trade-off tra risoluzione, velocità e costi di capitalexposition.

Imparare la macchina e la proiezione ad alto rendimento

Lo spazio chimico per i semiconduttori organici è vasto, con milioni di potenziali strutture molecolari. I modelli di apprendimento automatico formati su dati sperimentali e simulati possono prevedere rapidamente proprietà come i livelli di energia, gli spettro di assorbimento e la mobilità della carica, guidando gli sforzi sperimentali verso i candidati più promettenti. Le piattaforme di sintesi e caratterizzazione automatizzate consentono uno screening ad alte prestazioni, accelerando notevolmente la scoperta di nuovi materiali donatori e di accettazione.

Applicazioni e Potenzialità di mercato

Le proprietà uniche di OPVs applicazioni aperte dove i pannelli tradizionali di silicio sono inadatti, sia a causa di peso, rigidità, aspetto o vincoli di costo. Mentre OPVs sono improbabili per spostare il silicio in impianti di utilità su larga scala nel prossimo termine, occupano una crescente nicchia nell'integrazione di edifici, elettronica di consumo e applicazioni speciali.

Fotovoltaico integrato

I OPV possono essere laminati sulle membrane di copertura, incorporati in facciate di vetro, o stampati su tessuti architettonici. Il programma della Commissione Europea Horizon 2020 ha finanziato diverse dimostrazioni di grandi dimensioni di buste di costruzione integrate a OPV, mostrando che questi sistemi possono generare quantità significative di energia elettrica pur mantenendo la qualità estetica.

Indoor e Internet delle cose Potenza

La raccolta di luce interna è una delle applicazioni più commercialmente più efficaci a breve termine per OPV. Le celle organiche possono essere ottimizzate per soddisfare lo spettro dell'illuminazione artificiale, raggiungendo le efficienze superiori al 20% sotto illuminazione fluorescente o LED. Questo li rende ideali per alimentare sensori wireless, termostati intelligenti, etichette di scaffali elettronici e altri dispositivi IoT a bassa potenza, eliminando la necessità di sostituzione della batteria e riducendo i rifiuti elettronici.

Elettronica portatile e indossabile

La flessibilità e il basso peso dei OPV li rendono candidati naturali per l'integrazione in abbigliamento, zaini e caricatori portatili. Un modulo OPV flessibile cucito in una giacca può affilare uno smartphone durante le attività all'aperto, mentre un pannello leggero rollable può fornire energia di emergenza per il campeggio o il soccorso di emergenza. L'esercito ha espresso interesse per OPVs per alimentare elettronica portatile e sensori nelle operazioni sul campo, dove il rifornimento di batterie è logisticamente impegnativo.

Applicazioni agricole e ambientali

L'Agrivoltaics— la co-localizzazione dei pannelli solari con colture e n. 8212; benefici dai OPV perché la loro semitrasparenza consente una certa luce di passare attraverso, consentendo la crescita delle piante sotto. I ricercatori hanno dimostrato che alcune colture crescono bene sotto le tettoie OPV che filtrano specifiche lunghezze d'onda, convertendo altri in elettricità.

Veicoli elettrici e fucili

L'industria automobilistica sta esplorando i OPV per l'integrazione in tetti, cappe e pannelli per il corpo per fornire potenza ausiliaria per il controllo del clima, sistemi di infotainment e carica della batteria. Mentre la potenza generata è modesto— in genere si detiene a centinaia di watt a seconda della superficie del veicolo area & n. 8212; può estendere significativamente la gamma di guida in condizioni urbane.

Il percorso in avanti: Economia e Commercializzazione

La traiettoria di commercializzazione per OPV dipende da continui miglioramenti nell'efficienza, nella stabilità e nei costi di produzione. Molte aziende hanno scalato la produzione a livelli pilota o commerciali anticipati, tra cui Heliatek in Germania, InfinityPV in Danimarca, e Nikola Tesla Technologies nel Regno Unito. Questi produttori mirano a specifiche applicazioni verticali, piuttosto che a competere direttamente con il silicio nel mercato su scala di utilità.

I modelli economici suggeriscono che i OPV diventino competitivi quando il costo livellato dell'elettricità scende sotto i $0.10 a $0.15 per chilowatt-hour per le applicazioni integrate nell'edilizia.

Le tariffe di alimentazione, i codici di costruzione che richiedono la generazione in loco e i programmi di certificazione per la costruzione verde che premiano l'integrazione energetica rinnovabile creano tutti i mercati pull per i prodotti OPV. Inoltre, le normative per la responsabilità dei produttori estese che richiedono la riduzione dei rifiuti elettronici possono incentivare l'uso di tecnologie solari più leggere e meno tossiche.

L'Agenzia Spaziale Europea ha testato i moduli OPV sulla Stazione Spaziale Internazionale, e i risultati indicano una stabilità promettente sotto il vuoto e le condizioni di radiazione dell'orbita bassa della Terra. I pannelli OPV leggeri e laminabili potrebbero ridurre i costi di lancio per i piccoli satelliti e fornire energia per sonde di spazio profondo dove i vincoli di peso sono gravi.

Conclusioni

Il fotovoltaico organico occupa una posizione distintiva nel panorama delle energie rinnovabili, non sostituirà i pannelli solari in silicio nelle centrali elettriche su larga scala, né dovrebbero. La loro forza risiede nelle applicazioni in cui flessibilità, peso leggero, semitrasparenza e produzione a basso costo sono vantaggi decisivi.

Il progresso dell'ultimo decennio, guidato in gran parte dallo sviluppo di ammendatori non-fullereni e da architetture di dispositivi migliorate, è stato notevole. Le sfide rimangono, in particolare nel dimostrare affidabilità a lungo termine e nel raggiungere una produzione di grandi dimensioni economicamente vantaggiosa, ma la traiettoria è chiaramente positiva. Con un continuo investimento nella ricerca e nello sviluppo, i fotovoltaici organici rischiano di trovare il loro posto non come sostituzione per la tecnologia solare esistente, ma come una tecnologia complementare che permette di accelerare le forme di raccolta solare in precedenza.