Потенциал органической фотоэлектрики в солнечных элементах следующего поколения

Чем OPV отличаются от кремниевых солнечных батарей

Кремниевая фотоэлектрика доминировала в солнечной промышленности в течение десятилетий, на ее долю приходится более 95% установленных модулей по всему миру. Кристаллические кремниевые элементы достигают эффективности выше 26% в лабораторных условиях и поддерживают срок службы от 25 до 30 лет с минимальным ухудшением. OPV, напротив, предлагают принципиально другое ценностное предложение, основанное на недорогом производстве и механической гибкости, а не эффективности сырья.

Кремниевые элементы требуют высокотемпературной обработки, вакуумного осаждения и условий чистой комнаты, что приводит к росту капитальных затрат. OPV могут быть изготовлены с использованием раскатывающей печати, слот-дие покрытия или распыления осаждения в условиях окружающей среды, резко сокращая время окупаемости энергии и сложность производства. Управление по технологиям солнечной энергии Министерства энергетики США признает эти производственные преимущества в качестве ключевых драйверов для следующего поколения солнечного развертывания в приложениях, где традиционные панели непрактичны.

Еще одно фундаментальное различие заключается в поглощении света. Кремний является косвенным полупроводником, что означает, что он требует относительно толстых слоев & #8212; сотни микрометров & #8212; для поглощения достаточного количества солнечного света. Органические полупроводники имеют прямые полосы с высокими коэффициентами поглощения, что позволяет активным слоям толщиной всего от 100 до 300 нанометров захватывать большинство падающих фотонов. Эта разница в прочности поглощения является одной из причин, по которой OPV могут быть сделаны полупрозрачными, открывая приложения в фасадах зданий и окнах, которые кремний не может обслуживать.

Основные преимущества органической фотоэлектрики

Преимущества ОПВ распространяются на сценарии производства, развертывания и конечного использования. Каждое преимущество связано с уникальными физическими и химическими свойствами органических полупроводников и методами обработки, которые они позволяют.

Механическая гибкость и фактор формы

Органические полупроводники могут быть отложены на пластиковые подложки, такие как полиэтилентерефталат или полиэтиленнафталат, производя солнечные элементы, которые могут быть согнуты, свернуты или обернуты вокруг изогнутых поверхностей. Эта гибкость позволяет OPVs быть интегрированными в строительные материалы, панели кузова транспортного средства и портативную электронику таким образом, что жесткие кремниевые панели не могут соответствовать. Исследователи продемонстрировали OPV на бумаге, ткани и даже листообразных подложках, предлагая применение в сельскохозяйственных теплицах, умной упаковке и носимых источниках питания.

Легкая конструкция

Поскольку активные органические слои имеют толщину менее одного микрометра, а гибкие подложки намного легче стекла, модули OPV могут весить всего несколько сотен граммов на квадратный метр. Этот низкий вес имеет решающее значение для таких применений, как беспилотники, электромобили и портативная военная техника, где каждый килограмм полезной нагрузки снижает дальность или выносливость. Для установок на крыше на конструкциях, которые не могут поддерживать вес традиционных панелей, легкие OPV предлагают жизнеспособную альтернативу.

Низкозатратное производство

Способность обрабатывать органические полупроводники из решения позволяет осуществлять высокопроизводительную печать с помощью рулона к рулону, аналогичную способу производства газет и упаковки. Не требуется никаких вакуумных шагов, а затраты на электроэнергию для производства значительно ниже, чем для кремния. Недавние технико-экономические анализы показывают, что стоимость модулей OPV может упасть ниже $0,50 за ватт, когда производственные масштабы достигнут уровня гигаватта, по сравнению с примерно $0,20 до $0,30 за ватт для кристаллического кремния сегодня. Однако системные затраты на установки OPV также должны учитывать более короткий срок службы и потенциально более низкую эффективность, факторы, которые исследователи продолжают решать.

Настраиваемые оптоэлектронные свойства

Органические химики могут модифицировать молекулярную структуру донорских и акцепторных материалов для смещения спектров поглощения, регулировки уровней энергии и улучшения переноса заряда. Эта настраиваемость позволяет ОПВ проектироваться для конкретных условий освещения, таких как внутренний или рассеянный свет, где они могут превосходить кремний. Например, ОПВ, оптимизированные для внутреннего освещения, продемонстрировали эффективность выше 26% при светодиодном освещении, что делает их привлекательными для питания датчиков Интернета вещей и интеллектуальных устройств в зданиях.

Полупрозрачность и цветовая настройка

Контролируя толщину и состав активного слоя, OPV можно сделать полупрозрачными с нейтральными или с учетом цветовых оттенков. Это свойство особенно ценно для интегрированной в здание фотоэлектрической техники, где эстетические соображения часто определяют принятие. Архитекторы могут включать полупрозрачные OPV в окна, световые люки и занавесные стены, генерируя электричество при сохранении естественного дневного света и визуального комфорта.

Современные ограничения и технические проблемы

Несмотря на эти преимущества, OPV сталкиваются со значительными препятствиями, которые необходимо преодолеть, прежде чем может произойти широкомасштабная коммерциализация.Три наиболее насущные проблемы - эффективность преобразования энергии, операционная стабильность и масштабируемость.

Ограничения эффективности

Наибольшая эффективность преобразования мощности для однопереходных ОПВ в стандартной подсветке AM1.5G составляет примерно 19-20% по сравнению с более чем 26 процентами для кристаллического кремния и 47 процентами для многопереходных концентраторных элементов. Теоретические модели предполагают, что однопереходные ОПВ имеют максимальную достижимую эффективность около 25-27% из-за предела Шокли-Квейсера, который ограничивает все однопереходные солнечные элементы. Архитектура тандема или многопереходного ОПВ, которая складывается несколькими слоями поглотителя с дополнительными полосами пропускания, может повысить эффективность более чем на 30 процентов, но эти конструкции вводят дополнительную сложность и стоимость.

Разрыв эффективности относительно кремния сужается, но модули OPV в коммерческом производстве обычно достигают лишь 10—15 %, при этом значительные потери происходят при масштабировании от малых лабораторных клеток до модулей большой площади.Повышение однородности тонких пленок на больших площадях и минимизация потерь устойчивости серий остаются активной областью исследований.

Операционная стабильность и продолжительность жизни

Органические материалы по своей природе подвержены деградации из-за кислорода, влаги, ультрафиолетового излучения и теплового стресса. Неинкапсулированные ОПВ могут потерять производительность в течение нескольких часов после воздействия условий окружающей среды. При правильной инкапсуляции с использованием барьерных пленок, блокирующих кислород и водяной пар, коммерческие модули ОПВ продемонстрировали срок службы от 5 до 10 лет, что является достаточным для некоторых применений, но далеко от 25-летнего стандарта гарантий в кремниевой промышленности.

Масштабируемость и производственная согласованность

Масштабирование из лабораторных сплит-покрытых ячеек, часто всего в нескольких квадратных миллиметрах в области, для качения изготовленных модулей, охватывающих квадратные метры, представляет собой существенные инженерные проблемы. Поддержание однородности толщины пленки, контроль морфологии во время высокоскоростного осаждения и обеспечение воспроизводимых электрических характеристик на больших площадях требуют точного контроля процесса. Покрытие слот-диа и гравюрная печать показали перспективность, но плотность дефектов остается выше, чем в производстве кремния, ограничивая выход и производительность модулей производственного масштаба.

Материальное обеспечение и устойчивость

Многие высокопроизводительные ОПВ-материалы полагаются на дефицитные или токсичные элементы, хотя и менее, чем некоторые тонкопленочные технологии, такие как теллурид кадмия. Оксид индия, стандартный прозрачный электродный материал, содержит индий, который является относительно редким и подвержен волатильности цен. Исследователи разрабатывают альтернативы, такие как серебряные нанопровода, углеродные нанотрубки и проводящие полимеры для замены оксида индия-олова. Кроме того, экологический след производства ОПВ и утилизации в конце срока службы еще не полностью понятен, и оценки жизненного цикла необходимы для подтверждения претензий на устойчивость, часто связанных с этой технологией.

Исследования границ, ведущие к прогрессу

Научное сообщество OPV продолжает расширять границы по нескольким направлениям: от химии материалов до физики устройств и науки обрабатывающей промышленности.

Нефуллереновые приемники

Развитие нефуллереновых акцепторов стало самым трансформационным достижением в исследованиях OPV за последнее десятилетие. В отличие от фуллереновых акцепторов, которые имеют ограниченное поглощение в видимом спектре и плохую морфологическую стабильность, нефуллереновые акцепторы, такие как Y6 и его производные, обеспечивают сильное поглощение, настраиваемые уровни энергии и превосходные свойства упаковки. Устройства, включающие Y6 и связанные с ними молекулы, достигли эффективности, превышающей 18% в однопереходных клетках, и продемонстрировали значительно улучшенную термическую стабильность по сравнению с системами на основе фуллерена. Этот класс материалов эффективно оживил поле и сместил фокус исследования с открытия материала на оптимизацию устройства и масштабирование.

Тандем и многокомпонентные архитектуры

Тандемные ОПВ стек двух или более субячеек с дополнительными спектрами поглощения для уменьшения потерь термизации и увеличения общего напряжения. Типичная тандемная конструкция соединяет переднюю ячейку с широким диапазоном пропускания (поглощающий синий и зеленый свет) с узкополосной задней ячейкой (поглощающий красный и ближний инфракрасный свет). Тандемные ОПВ продемонстрировали эффективность выше 19% в лабораторных условиях, и моделирование предполагает, что оптимизированные архитектуры тройного соединения могут приближаться к 25-30%. Задача заключается в разработке слоев рекомбинации, которые электрически соединяют субячейки без введения оптических или резистивных потерь.

Инкапсуляция и барьерные технологии

Продление срока службы OPV требует инкапсуляции, которая предотвращает попадание кислорода и водяного пара. Традиционная стеклянная инкапсуляция обеспечивает отличные барьерные свойства, но сводит на нет преимущество гибкости OPV. Гибкие барьерные пленки с использованием чередующихся слоев неорганических оксидов и органических полимеров могут достигать скорости передачи водяного пара ниже 10 ^-4 г/м ² / день, достаточный для защиты OPV в течение многих лет. Атомное осаждение слоев глинозема и кремнезема обеспечивает особенно эффективную защиту, и исследования продолжают снижать стоимость и улучшать механическую долговечность этих барьерных систем.

Технологии производства в больших масштабах

Переход от лабораторного спинового покрытия к осаждению в промышленных масштабах требует надежных, высокопроизводительных методов. Слот-дие покрытие в настоящее время является наиболее широко изученной техникой для производства OPV, поскольку оно обеспечивает хороший контроль толщины, высокую степень использования материала и совместимость с обработкой рулона. Также изучаются гравюрная печать, струйная печать и распыление покрытия, каждый из которых предлагает различные компромиссы между разрешением, скоростью и капитальными затратами. Оптимизация процессов с использованием подходов проектирования экспериментов и машинного обучения ускоряет идентификацию оптимальных параметров осаждения для новых систем материалов.

Машинное обучение и высокопроизводительный скрининг

Химическое пространство для органических полупроводников огромно, с миллионами потенциальных молекулярных структур. Модели машинного обучения, обученные экспериментальным и смоделированным данным, могут быстро прогнозировать такие свойства, как уровни энергии, спектры поглощения и мобильность заряда, направляя экспериментальные усилия на наиболее перспективных кандидатов. Автоматизированные платформы синтеза и характеристики позволяют проводить высокопроизводительный скрининг, резко ускоряя открытие новых материалов-доноров и акцепторов. Исследовательские группы в таких учреждениях, как Чикагский университет и Кембриджский университет, продемонстрировали системы оптимизации замкнутого цикла, которые могут идентифицировать высокопроизводительные материалы за долю времени, требуемого традиционными подходами.

Приложения и рыночный потенциал

Уникальные свойства OPVs открыты для приложений, где традиционные кремниевые панели непригодны, либо из-за веса, жесткости, внешнего вида, либо из-за ограничений по стоимости.В то время как OPVs вряд ли вытеснят кремний в крупномасштабных коммунальных установках в ближайшем будущем, они занимают растущую нишу в интеграции зданий, потребительской электронике и специализированных приложениях.

Интегрированная фотоэлектрика

OPV могут быть наложены на кровельные мембраны, включены в стеклянные фасады или напечатаны на архитектурном текстиле. Программа Еврокомиссии Horizon 2020 профинансировала несколько крупномасштабных демонстраций OPV-интегрированных строительных оболочек, показывая, что эти системы могут генерировать значительное количество электроэнергии при сохранении эстетического качества. Полупрозрачные окна OPV предлагают особое обещание, поскольку они могут снизить охлаждающие нагрузки, блокируя инфракрасное излучение при генерации энергии. Аналитики рынка прогнозируют, что интегрированный в здание фотоэлектрический рынок может вырасти до 30 миллиардов долларов к 2030 году, при этом OPV захватит значительную долю.

Внутреннее пространство и Интернет вещей Power

Уборка света в помещении является одним из наиболее коммерчески жизнеспособных краткосрочных приложений для OPV. Органические элементы могут быть оптимизированы для соответствия спектру искусственного освещения, достигая эффективности выше 20% при флуоресцентной или светодиодной подсветке. Это делает их идеальными для питания беспроводных датчиков, интеллектуальных термостатов, электронных этикеток полки и других устройств IoT с низким энергопотреблением, устраняя необходимость замены батареи и сокращения электронных отходов. Несколько компаний, включая Heliatek и InfinityPV, уже продают модули OPV для внутренних и IoT-приложений.

Портативная и носимая электроника

Гибкость и малый вес OPV делают их естественными кандидатами для интеграции в одежду, рюкзаки и портативные зарядные устройства. Гибкий модуль OPV, сшитый в куртку, может просачиваться в смартфон во время активного отдыха, в то время как легкая подвижная панель может обеспечить аварийную мощность для кемпинга или ликвидации последствий стихийных бедствий. Военные выразили интерес к OPV для питания портативной электроники и датчиков в полевых операциях, где пополнение батарей является логистически сложной задачей.

Сельскохозяйственные и экологические применения

Agrivoltaics— совместное размещение солнечных панелей с культурами— выгоды от OPV, потому что их полупрозрачность позволяет небольшому свету проходить, позволяя росту растений под ними. Исследователи показали, что некоторые культуры хорошо растут под OPV-навесами, которые фильтруют определенные длины волн при преобразовании других в электричество. Аналогично, OPV могут быть развернуты в теплицах для выработки энергии при передаче фотосинтетически активного излучения. На удаленных станциях мониторинга окружающей среды легкие модули OPV могут быть сброшены с воздуха или транспортированы дронами для обеспечения локализованной мощности без необходимости в тяжелых батареях или топливе.

Электромобили и дроны

Автомобильная промышленность изучает OPV для интеграции в крыши транспортных средств, капоты и панели кузова для обеспечения вспомогательной мощности для климат-контроля, информационно-развлекательных систем и зарядки аккумуляторов. В то время как генерируемая мощность скромна & #8212; обычно десятки до сотен ватт в зависимости от площади поверхности транспортного средства & #8212; это может значительно расширить дальность движения в городских условиях. Для беспилотных летательных аппаратов и беспилотных летательных аппаратов сверхлегкие модули OPV могут продлить время полета от минут до часов, особенно для высотных платформ наблюдения и ретрансляции связи. Высокоспецифическая мощность (ватты на килограмм) OPV является критическим преимуществом в этих приложениях.

Путь вперед: экономика и коммерциализация

Траектория коммерциализации OPV зависит от продолжающегося повышения эффективности, стабильности и стоимости производства. Несколько компаний масштабировали производство до пилотного или раннего коммерческого уровня, в том числе Heliatek в Германии, InfinityPV в Дании и Nikola Tesla Technologies в Великобритании. Эти производители нацелены на конкретные вертикали применения, а не конкурируют напрямую с кремнием на рынке коммунальных услуг. Например, Heliatek HeliaSol - это легкая клейкая пленка, предназначенная для модернизации на фасадах зданий и крышах, где структурные ограничения препятствуют установке обычных панелей.

Экономические модели предполагают, что OPV становятся конкурентоспособными, когда уравненная стоимость электроэнергии падает ниже примерно $0,10 до $0,15 за киловатт-час для интегрированных в здание приложений. Для достижения этого требуется эффективность модулей выше 12%, срок службы более 10 лет и производственные затраты ниже $0,30 за ватт. Текущие коммерческие модули приближаются к этим целям, но еще не достигли всех одновременно. Быстрые темпы улучшения нефуллереновых акцепторных материалов свидетельствуют о том, что цели эффективности и стабильности находятся в пределах досягаемости в течение следующих пяти-десяти лет.

Поддержка политики и нормативно-правовая база могут ускорить принятие. Тарифы на питание, строительные нормы, требующие генерации на месте, и программы сертификации зеленого строительства, которые поощряют интеграцию возобновляемых источников энергии, создают рыночную привлекательность для продуктов OPV. Кроме того, расширенные правила ответственности производителей, требующие сокращения электронных отходов, могут стимулировать использование более легких, менее токсичных солнечных технологий.

Заглядывая дальше, OPV могут играть роль в космических приложениях, где их высокая удельная мощность и радиационная толерантность являются выгодными. Европейское космическое агентство протестировало модули OPV на Международной космической станции, и результаты указывают на многообещающую стабильность в условиях вакуума и излучения низкой околоземной орбиты. Легкие, подвижные панели OPV могут снизить затраты на запуск для небольших спутников и обеспечить мощность для глубоководных зондов, где ограничения веса являются серьезными.

Заключение

Органические фотоэлектрические элементы занимают особое положение в ландшафте возобновляемых источников энергии. Они не заменят кремниевые солнечные панели на крупных электростанциях, и не должны им заменяться. Их сила заключается в приложениях, где гибкость, легкий вес, полупрозрачность и недорогое производство являются решающими преимуществами. По мере того, как достижения материаловедения увеличивают срок службы и повышают эффективность в теоретических пределах, OPV готовы служить рынкам, которые кремний не может решить, расширяя общий вклад солнечной энергии в устойчивую энергетическую систему.

Прогресс последнего десятилетия, обусловленный в основном развитием нефуллереновых акцепторов и улучшенных архитектур устройств, был замечательным. Сохраняются проблемы, особенно в демонстрации долгосрочной надежности и достижении экономически эффективного крупномасштабного производства, но траектория явно положительная. При продолжающихся инвестициях в исследования и разработки органические фотоэлектрические элементы, вероятно, найдут свое место не в качестве замены существующей солнечной технологии, а в качестве дополнительной технологии, которая позволяет собирать солнечную энергию в формах и местах, которые ранее были непрактичными. При этом они помогут ускорить глобальный переход к возобновляемой энергии, сделав солнечную энергию более универсальной, доступной и повсеместной.