Изучение потенциала органической фотоэлектрики для гибких и недорогих солнечных решений

Введение

Солнечная энергия стала одним из самых быстрорастущих возобновляемых источников энергии, обусловленных глобальным стремлением декарбонизировать производство электроэнергии. В то время как кристаллические кремниевые солнечные панели доминируют на рынке с эффективностью, превышающей 22% и длительным сроком службы, их жесткая структура и высокие затраты на производство энергии ограничивают развертывание в определенных приложениях. Органическая фотоэлектрика (ОПВ) предлагает альтернативный подход: вместо кремния они используют углеродные органические полупроводники для захвата света и выработки электроэнергии. Эта технология обещает будущее, где солнечные элементы могут быть напечатаны на гибких подложках, интегрированы в строительные материалы и изготовлены за небольшую часть стоимости обычных панелей. В то время как ОПВ все еще сталкиваются с техническими препятствиями, последние достижения в материаловедении и проектировании устройств приближают их к коммерческой жизнеспособности.

Что такое органическая фотоэлектрика?

Органические фотоэлектрические элементы представляют собой класс солнечных элементов, которые используют тонкие слои органических (углеродсодержащих) материалов в качестве активной светопоглощающей и переносящей заряд среды. В отличие от неорганических полупроводников, таких как кремний, органические молекулы и полимеры имеют более низкие диэлектрические константы и образуют экситоны (связанные пары электрон-дырка) при поглощении фотонов. Эти экситоны должны быть диссоциированы на интерфейсе донора-акцептора для генерации носителей свободных зарядов. Устройства OPV обычно состоят из прозрачного электрода (например, оксида индия-олова), электронного транспортного слоя, объемной гетеропереходной смеси донорских и акцепторных органических материалов, транспортного слоя дырки и отражающего металлического электрода - все сложены на подложке, которая может быть стеклянной, пластиковой или даже металлической фольгой.

Ключевое отличие от кремниевой фотоэлектрики заключается в свойствах материала. Органические полупроводники имеют высокие коэффициенты поглощения, то есть они могут поглощать свет в пленках толщиной всего в несколько сотен нанометров — примерно в 100 раз тоньше, чем типичная кремниевая пластина. Эта тонкость обеспечивает гибкость и полупрозрачность. Кроме того, синтез органических молекул не требует высокотемпературных, высоковакуумных процессов, необходимых для очистки кремния и роста кристаллов, открывая дверь к недорогому, высокопроизводительному производству.

Как работают OPV: физика органических солнечных элементов

Преобразование солнечного света в электричество в ОПВ включает в себя несколько этапов. Во-первых, органический активный слой поглощает фотоны, продвигая электроны от самой высокой занятой молекулярной орбитали (HOMO) до самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO) и создавая плотно связанный экситон. Поскольку органические материалы имеют низкие диэлектрические постоянные (около 3-4), кулоновское притяжение между возбужденным электроном и отверстием сильное - энергии связывания экситонов обычно составляют 0,3-1,0 эВ. Для сравнения, в кремнии энергия связывания составляет всего около 15 мегаватт, поэтому тепловой энергии при комнатной температуре достаточно, чтобы самопроизвольно диссоциировать экситоны. В ОПВ требуется дополнительная движущая сила.

Решение состоит в создании гетероперехода между двумя органическими полупроводниками: донором электронов и акцептором электронов. Когда генерируемый в доноре экситон достигает интерфейса донор-акцептор, энергетическое смещение (разница в уровнях LUMO) обеспечивает движущую силу для разделения экситона, переноса электрона на акцептор. Этот процесс, называемый фотоиндуцированной передачей заряда, происходит на фемтосекундных временных масштабах. После разделения электрон должен пройти через акцепторный материал на катод, в то время как отверстие проходит через донор на анод. Носители заряда могут рекомбинировать, если они не достигают своих соответствующих электродов достаточно быстро, поэтому эффективные уровни переноса заряда и экстракции имеют решающее значение для производительности устройства.

Активная морфология слоя — наномасштабное смешивание донора и акцептора — имеет решающее значение. Архитектура гетероперехода, где донор и акцептор смешиваются вместе, максимизирует площадь интерфейса, обеспечивая непрерывные пути для электронов и дырок для достижения электродов. Исследователи оптимизируют эту морфологию за счет выбора материалов, обработки растворителей, теплового отжига и добавок.

Ключевые материалы в органической фотоэлектрике

Донорские материалы

Ранние доноры ОПВ были конъюгированными полимерами, такими как поли(3-гексилтиофен) (P3HT), которые поглощают главным образом в сине-зеленой области и достигают умеренной эффективности. За последнее десятилетие доноры эволюционировали, чтобы включать полимеры с низким разрывом диапазона и небольшие молекулы, которые расширяют поглощение в ближний инфракрасный диапазон. Популярные системы включают PTB7, PCE-10 и PM6 (PBDB-T-2F). Эти материалы повышают эффективность преобразования мощности (PCE) выше 10% в однопереходных устройствах.

Приемопередатчики

Наибольший скачок в производительности OPV произошел от перехода от акцепторов фуллерена (таких как ПХБМ) к акцепторам нефуллерена (NFAs). Фуллерены имели хорошую подвижность электронов, но слабое поглощение в видимом спектре. NFA, такие как ITIC и Y6, представляют собой сплавленные кольцевые молекулы, которые сильно поглощают в ближнем инфракрасном диапазоне, дополняя поглощение донора. Молекула Y6, разработанная Zou и коллегами, позволила повысить эффективность OPV, превышающую 15% в 2019 году. С тех пор варианты, такие как производные Y6 и недавно разработанный L8-BO, подтолкнули записи однопереходных OPV к более чем 19%. Тандемные (многопереходные) клетки достигли 20,8% в 2022 году.

Межфазные и транспортные слои

Такие материалы, как оксид цинка (ZnO), поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS) и MoO3, обычно используются в качестве электронных или отверстий транспортных слоев. Эти слои обеспечивают омические контакты, блокируют нежелательную рекомбинацию заряда и улучшают стабильность устройства.

Преимущества органической фотоэлектрики

Гибкость и легкий вес

Поскольку слои OPV могут быть нанесены на пластиковые, металлические фольги или бумажные подложки при низких температурах (ниже 150°C), полученные устройства чрезвычайно гибкие и легкие - менее 1 кг на квадратный метр в некоторых случаях. Это позволяет интегрировать в изогнутые поверхности, портативные зарядные устройства, автомобильные крыши и даже ткани для носимой уборки энергии.

Низкозатратный производственный потенциал

OPV-изготовление использует процессы на основе раствора, такие как покрытие слот-дие, облицовка врачом, распыление покрытия, струйная печать и печать с помощью рулона, которые работают при атмосферном давлении и умеренных температурах. Это резко контрастирует с высоковакуумным высокотемпературным осаждением, необходимым для кремниевых и тонкопленочных неорганических клеток. Обработка рулоном-роллом, аналогичная печати в газете, может непрерывно наносить все слои на гибкую сеть, потенциально снижая стоимость модуля ниже 0,50 долларов США / Вт.

Полупрозрачность и цветовая настраиваемость

Активные слои OPV можно сделать полупрозрачными, выбрав материалы, которые поглощают преимущественно в ближнем инфракрасном диапазоне, позволяя проходить видимому свету. Это свойство идеально подходит для интегрированных в здание фотоэлектрических элементов (BIPV) - окон, световых люков и фасадов, которые генерируют электричество при сохранении дневного освещения. Кроме того, цвет OPV можно настроить с помощью химической модификации, что позволяет эстетически приятные солнечные установки.

Экологические преимущества

Органические материалы в основном состоят из углерода, водорода, кислорода и азота и могут быть синтезированы из возобновляемых источников сырья в некоторых случаях. В то время как современные OPV по-прежнему используют оксид индия олова (ITO) в качестве прозрачного электрода - индий встречается редко и токсичен - исследователи разрабатывают альтернативы, такие как серебряные нанопровода, углеродные нанотрубки и графен. OPV модули также имеют более короткое время окупаемости энергии, чем кремний из-за более низких требований к энергии производства.

Современные проблемы, с которыми сталкивается органическая фотоэлектрика

Эффективность преобразования мощности

Несмотря на быстрый прогресс, рекордная эффективность однопереходных OPV (~19%) по-прежнему ниже, чем у лучшего кремния (26,8% для монокристаллических) и перовскитных солнечных элементов (26%). В практических модулях эффективность снижается до 12-15% из-за потерь масштабирования. Приложения, требующие высокой мощности для конкретной области (например, фермы коммунального масштаба), в настоящее время предпочитают кремний. Однако для нишевых приложений, где важна гибкость или низкий вес, OPV уже конкурентоспособны.

Стабильность и долголетие

Органические материалы разрушаются при непрерывном освещении, особенно в присутствии кислорода и влаги. Фотоокисление активного слоя, миграция металлических электродов и морфологические изменения в гетеропереходе навалочных масс сокращают срок службы устройства. В то время как инкапсулированные ОПВ теперь могут выдерживать тысячи часов в ускоренных тестах (протоколы ISOS), эксплуатационные сроки службы 10-20 лет - типичные для кремниевых панелей - остаются проблемой. Недавние достижения в стабильных парах доноров-акцепторов и барьерной инкапсуляции продлевают срок службы до 5-10 лет, что может быть достаточным для внутреннего или краткосрочного применения.

Масштабируемость больших территорий

Производство рулонных пленок быстрое, но производство однородных пленок без дефектов на больших площадях затруднено. Пинолы, изменения толщины покрытия и шероховатость подложки могут вызывать шунты и снижение коэффициента заполнения. Для модулей с областями > 100 см2 эффективность преобразования мощности часто падает на 20-30% по сравнению с клетками малой площади. Продвинутые методы покрытия и конструкция модуля (например, лазерная написание для минимизации мертвых зон) совершенствуются.

Зависимость от оксида индия олова

Большинство ОПВ используют ITO в качестве прозрачного переднего электрода. Индий является дефицитным ресурсом с высокой стоимостью и экологической токсичностью. Замена ITO прозрачными проводниками на основе углерода или металлическими сетками является активной областью исследований. Серебряные нанопроводные электроды показали многообещающие результаты, но они страдают от коррозии и высокой стойкости листа при низкой плотности.

Производственные процессы: от лаборатории до фабричной

Перевод OPV из лаборатории в коммерческое производство требует масштабируемого высокодоходного производства. Наиболее зрелым подходом является покрытие слот-ди-ролла (R2R) на гибких полимерных фольгах (например, полиэтилентерефталат (PET) или полиэтиленнафталат (PEN)). В R2R субстрат откручивается от рулона, проходит через станции покрытия для каждого слоя (с сушильными печами между), а затем перематывает готовый модуль. Solliance (Нидерланды) и InfinityPV (Дания) продемонстрировали модули OPV, производимые непрерывно с PCE около 8-10% на протяжении нескольких метров.

Методы печати, такие как гравюрная, флексографическая и струйная печать, позволяют точно лепить узоры, позволяя изготавливать прозрачные солнечные модули с эстетически приятными узорами для интеграции зданий. Независимые исследовательские группы также разработали методы нанесения ОПВ на бумагу и текстиль, открывая возможности для умной упаковки и носимой электроники.

Одним из ключевых преимуществ производства OPV является низкая воплощенная энергия. Оценка от колыбели до шлюза показывает, что модули OPV требуют около 5-10% первичной энергии, необходимой для производства кремниевых панелей. Для многих применений это приводит к окупаемости углерода менее чем за год.

Приложения и новые случаи использования

Интегрированная фотоэлектрическая система (BIPV)

Полупрозрачность, цветовая настраиваемость и легкая гибкость OPV делают их идеальными для окон, занавесных стен и предсердий. Такие компании, как Heliatek (Германия), производят гибкие пленки OPV, которые можно ламинировать на существующие поверхности зданий без структурного усиления. В то время как BIPV по-прежнему является небольшой частью солнечного рынка, он быстро растет, особенно в Европе, где стандарты энергоэффективности зданий ужесточаются.

Портативная и внесетевая электроника

Легкие модули OPV могут быть интегрированы в рюкзаки, палатки, тенты и кемпинги для зарядки телефонов, планшетов и огней. Для отдыха на открытом воздухе OPV предлагают способ генерации энергии без тяжелых кремниевых панелей. В гуманитарных контекстах подвижные OPV могут быть сброшены с воздуха для обеспечения аварийной мощности медицинских устройств и связи в зонах бедствия.

Сельское хозяйство (Agrivoltaics)

Полупрозрачные пленки OPV могут быть развернуты над теплицами или сельскохозяйственными полями, позволяя части солнечного света проходить для роста растений при производстве электроэнергии. Поскольку OPV могут поглощать в основном в ближнем инфракрасном диапазоне (что менее эффективно для фотосинтеза), они могут быть разработаны для передачи фотосинтетически активного излучения (PAR) при сборе энергии. Ранние исследования показали, что пленки OPV над культурами могут уменьшить испарение воды, модулировать температуру и увеличить выход электроэнергии без значительного влияния на урожайность сельскохозяйственных культур.

Внутренние и IoT приложения

OPV могут быть оптимизированы для сбора света в помещении (флуоресцентного или светодиодного), где они уже превосходят кремниевые элементы по эффективности, потому что органические материалы лучше соответствуют спектру в помещении. Это делает их идеальными для питания датчиков Интернета вещей (IoT), интеллектуальных меток и устройств удаленного мониторинга. С ростом интеллектуальных зданий и цифровых двойников датчики с OPV могут устранить необходимость замены батарей в десятках миллионов устройств.

Пример реализации: носимые

Исследователи из Кембриджского университета разработали волокна OPV, которые можно вплетать в ткань. В сочетании с тонкопленочными батареями куртка может генерировать достаточно энергии для запуска смартфона или GPS-трекера в течение дня на открытом воздухе. Хотя все еще на стадии прототипа такие устройства могут стать коммерческими в течение пяти лет.

Недавние прорывы в исследованиях

В области OPV наблюдается значительный прогресс всего за последние пять лет. В 2019 году приемник Y6 позволил достичь PCE в 15,7% (Zou et al.). К 2021 году рекордная эффективность достигла 18,2% (Cui et al., 2021), а в 2023 году независимые команды сообщили о 19,3% для однопереходных клеток с использованием нового акцептора под названием L8-BO. Тандемные OPV-клетки, которые стекают два комплементарных поглощающих слоя, превысили 20% PCE. Согласно диаграмме эффективности исследований-клеток NREL, эффективность OPV почти удвоилась с 2018 года.

Также заметны улучшения стабильности. Инкапсулированные модули OPV на основе системы PM6:Y6 поддерживали >80% начальной производительности после 10 000 часов непрерывного 1-солнечного освещения (эквивалентного примерно 3-4 годам наружного воздействия в умеренном климате). Новые стратегии подавления фотоокисления, такие как добавление синглетных кислородных закалок и ультрафиолетовых фильтров, продлили срок службы. Было показано, что морфологическая стабилизация посредством сшивания доноров полимеров предотвращает разделение фаз при тепловом напряжении.

На производственном фронте исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре продемонстрировали полностью рулонные печатные модули OPV на гибких подложках с PCE 12,2%, используя негалогенированные растворители — шаг к экологически безвредному производству. Кроме того, разработка устройств без ITO с использованием нанопроводных электродов серебра в сочетании с графеновыми или проводящими полимерными прослойками достигла PCE > 10% на больших площадях, уменьшив зависимость от дефицитных элементов.

Рынок и коммерческий прогноз

В то время как OPV в настоящее время представляют менее 0,1% мирового рынка фотоэлектрических технологий, несколько стартапов и известных компаний наращивают производство. Heliatek (Германия) производит пленки OPV для фасадов зданий и теплиц, заявляя, что PCE составляет около 10% в модулях. InfinityPV (Дания) предлагает прокатные зарядные устройства OPV для потребителей. Исследователи прогнозируют, что по мере приближения эффективности к 20% и срокам службы более 10 лет OPV могут захватить значительную долю гибких и BIPV сегментов, которые, по оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), могут стоить 10-20 миллиардов долларов в год к 2030 году.

Снижение затрат будет обусловлено высокоскоростной печатью, недорогими подложками и упрощенными структурами устройств. Если модули OPV можно производить по цене $0,20-$0,50/Вт (по сравнению с $0,10-$0,30/Вт для кремния), их уникальный форм-фактор и низкий вес позволят приложениям, где кремний не может конкурировать. Например, замена батареи в беспроводном датчике может стоить $10-20 за датчик; модуль OPV стоимостью $0,50 может заплатить за себя в год, устраняя отходы батареи. В интеграции зданий окна OPV могут компенсировать 15-30% энергетической нагрузки здания, способствуя достижению нулевых целей.

Однако OPV должны преодолеть восприятие «низкой эффективности» и «нестабильности». Ожидается, что постоянные улучшения в материалах, инкапсуляции и конструкции модулей устранят разрыв в производительности. Государственные стимулы для интегрированных в строительство возобновляемых источников энергии и растущий спрос на гибкую солнечную энергию в потребительской электронике еще больше ускорят внедрение.

Заключение

Органическая фотоэлектрика - это быстро развивающаяся солнечная технология, которая может дополнить - и в некоторых приложениях заменить - обычные кремниевые панели. Их уникальные свойства гибкости, низкого веса, полупрозрачности и недорогого производства открывают новые рынки, такие как интегрированная в здание солнечная, портативная электроника, носимые устройства, сельскохозяйственные пленки и датчики IoT. Хотя проблемы в эффективности, стабильности и масштабируемости в больших масштабах остаются, за последнее десятилетие наблюдается необычайный прогресс: рекордная эффективность выросла с 12% до более чем 20%, срок службы улучшился с месяцев до лет, а производственные процессы продвинулись к коммерческой осуществимости. С продолжающимися инвестициями в исследования и масштабирование производства органическая фотоэлектрика готова стать важным инструментом в глобальном переходе к чистой, распределенной энергии.