Потенциал органических фотоэлектрических элементов для гибких солнечных применений

Что такое органические фотоэлектрические клетки?

Органические фотоэлектрические (ОПВ) элементы представляют собой класс солнечных технологий, которые используют солнечный свет с использованием углеродных полупроводников. В отличие от обычных кремниевых солнечных панелей, которые полагаются на жесткие, энергоемкие кристаллические пластины, ОПВ изготавливаются из органических молекул или полимеров, которые могут быть растворены в растворителях и осаждены в виде тонких пленок. Это фундаментальное различие дает им уникальный набор физических и механических свойств - гибкость, легкий форм-фактор и потенциал для недорогого, высокопроизводительного производства - что делает их очень привлекательными для приложений, где традиционные жесткие панели непрактичны.

Активный слой ОПВ-клетки обычно состоит из смеси электронно-донорных и электронно-акцепторных материалов, часто конъюгированного полимерного донора и фуллеренового или нефуллеренового акцептора. При поглощении фотонов генерируются экситоны (связанные пары электронно-дырочных) и затем диссоциируются на интерфейсе донор-акцептор, производя свободные носители, которые собираются на электродах. Этот процесс аналогичен фотоэлектрическому эффекту в неорганических клетках, но происходит в неупорядоченной органической матрице, что порождает как преимущества, так и различные инженерные проблемы.

OPV изучались в течение десятилетий, но последние достижения в области акцепторов нефуллерена, контроля морфологии и архитектуры устройств выдвинули эффективность преобразования энергии за пределы 19% в лабораторных клетках - замечательное достижение, учитывая ранние препятствия. Хотя эффективность OPV все еще ниже, чем у лучших монокристаллических кремниевых клеток (которые превышают 26%), эффективность OPV в настоящее время конкурирует со многими тонкопленочными технологиями, такими как аморфный кремний и теллурид кадмия, особенно при рассмотрении их потенциала для гибких и легких подложек.

Как работают OPV-клетки: более глубокий взгляд

Понимание механизма работы ОПВ является ключом к оценке их потенциала и проблем. Процесс начинается с поглощения фотонов в органическом активном слое. Поскольку органические полупроводники имеют более низкие диэлектрические константы, чем неорганические материалы, фотовозбуждение создает плотно связанные экситоны с энергиями связывания 0,3-1,0 эВ. Эти экситоны должны диффундировать к интерфейсу донора-акцептора в течение их короткого срока службы (обычно несколько наносекунд), чтобы диссоциировать в свободные заряды. Эффективная диффузия экситонов требует тонко перемешанной морфологии - часто достигается путем отжига растворителя, теплового отжига или использования добавок - для максимизации межфазной области при сохранении путей перколяции для переноса заряда.

После диссоциации электроны и дырки должны проходить через акцепторную и донорскую фазы, соответственно, чтобы достичь электродов. Транспорт заряда в органических материалах ограничен низкой подвижностью и состояниями ловушки, что делает выбор материалов и архитектуры устройства критическим. Структуры гетероперехода навалочных материалов (BHJ), где донорские и акцепторные материалы смешиваются в наноразмерной биконтинуальной сети, стали стандартом, поскольку они резко уменьшают расстояние, которое экситоны должны преодолевать, чтобы достичь интерфейса. Совсем недавно были изучены методы последовательного осаждения и тройные смеси для дальнейшей оптимизации поглощения света и извлечения заряда.

Одним из наиболее интересных событий в исследованиях OPV является появление нефуллереновых акцепторов (NFAs). В отличие от производных фуллерена, NFA могут быть химически настроены для поглощения света в ближней инфракрасной области, предлагая лучшее спектральное покрытие и снижение потерь энергии. В сочетании с донорскими полимерами, предназначенными для дополнительного поглощения, OPV на основе NFA достигли быстрого повышения эффективности и улучшенной стабильности. Эта синергия между молекулярным дизайном и проектированием устройств продолжает раздвигать границы того, что может достичь органическая фотоэлектрика.

Преимущества и уникальные свойства органической фотоэлектрики

Гибкость и фактор формы

Наиболее расхваливаемым преимуществом OPV является их механическая гибкость. Поскольку активные слои обычно имеют толщину менее 300 нм и наносятся на гибкие пластиковые или металлические подложки из фольги, все устройство может быть согнуто, свернуто или сложено без значительного ухудшения производительности. Это открывает дверь для солнечной интеграции на изогнутых поверхностях, таких как крыши транспортных средств, архитектурные навесы, рюкзаки и даже одежда. В отличие от жестких кремниевых панелей, гибкие модули OPV могут соответствовать нерегулярным формам, что позволяет беспрепятственно интегрироваться в построенную среду и потребительские товары.

Легкая конструкция

Модули OPV могут весить всего несколько граммов на квадратный метр, по сравнению с 10-20 кг/м2 для стандартной стеклянной инкапсулированной кремниевой панели. Это снижение веса имеет решающее значение для приложений, где ограничена грузоподъемность, например, на легких крышах, палатках, беспилотных летательных аппаратах или портативных электронных устройствах. Это также снижает транспортные и монтажные расходы, особенно в отдаленных или автономных местах, где тяжелое оборудование непрактично.

Низкозатратный производственный потенциал

OPV могут быть изготовлены с использованием таких технологий на основе раствора, как струйная печать или распыление покрытия при температуре и давлении окружающей среды или вблизи нее, в отличие от высокотемпературных вакуумных процессов, необходимых для кремния. Эти методы совместимы с производством на основе рулона (R2R), которое может производить большие объемы солнечной пленки со скоростью десятков метров в минуту. Сочетание низкого использования материала, упрощенной обработки и высокой пропускной способности может в конечном итоге привести к тому, что стоимость модуля будет значительно ниже 0,50 долларов за ватт, что сделает солнечную энергию более доступной во всем мире.

Прозрачность и эстетика

Благодаря проектированию спектра поглощения органических материалов можно создавать полупрозрачные OPV-ячейки, которые позволяют проходить части видимого света. Эти прозрачные солнечные пленки могут быть интегрированы в окна зданий, световые люки и теплицы, генерируя электричество при сохранении естественного освещения или роста растений. Возможность настраивать цвет и прозрачность также предлагает архитекторам новые возможности дизайна, превращая целые фасады зданий в энергогенерирующие поверхности без ущерба для эстетики. Такие компании, как Next Energy Technologies ] уже коммерциализируют полупрозрачные OPV-покрытия для архитектурного стекла.

Основные проблемы, с которыми сталкивается технология OPV

Более низкая эффективность по сравнению с кремнием

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.

Проблемы стабильности и жизни

ОПВ подвержены деградации из-за кислорода, влаги и ультрафиолетового света. Без адекватной инкапсуляции органические материалы могут окисляться или подвергаться фотохимическим реакциям, которые снижают производительность устройства с течением времени. Хотя был достигнут значительный прогресс - некоторые инкапсулированные модули ОПВ теперь показывают срок службы, превышающий 10 000 часов при непрерывном освещении - это все еще не соответствует ожидаемому сроку службы кремниевых панелей 25-30 лет. Исследования барьерных материалов, стабильных комбинаций доноров-акцепторов и перевернутых архитектур устройств направлены на устранение этих уязвимостей.

Масштабируемость и производственная согласованность

Перевод процессов спинового покрытия лабораторного масштаба на производство в рулоне большой площади создает проблемы в однородности пленки, контроле дефектов и выходе. Небольшие изменения толщины покрытия, условий сушки или морфологии пленки могут вызвать большие отклонения производительности по всему модулю. Кроме того, использование летучих органических растворителей во многих материалах OPV следующего поколения вызывает проблемы окружающей среды и безопасности, которые должны быть решены с помощью альтернатив зеленого растворителя или методов осаждения без растворителя.

Стоимость материалов и доступность

Некоторые из наиболее эффективных ОПВ-материалов полагаются на сложные синтетические пути, требующие редкого или дорогостоящего сырья, например, некоторые переходные металлы или специализированные строительные блоки. Для того чтобы ОПВ-материалы достигли истинного низкозатратного паритета, необходимо разработать недорогие, обильные и масштабируемые органические полупроводники. Недавний прогресс в приемопередатчиках нефуллерена и смесях из всех полимеров является многообещающим, но необходимы дальнейшие работы по снижению материальных затрат без ущерба для производительности или стабильности.

Потенциальные применения органических фотоэлектрических клеток

Интегрированная фотоэлектрическая система (BIPV)

Возможно, наиболее перспективным краткосрочным рынком для OPV является интегрированная в здание фотоэлектрическая продукция. Возможность производить полупрозрачные, легкие и эстетически настраиваемые солнечные пленки позволяет архитекторам напрямую включать производство энергии в строительные материалы - окна, занавесные стены, световые люки и даже наружные краски. В отличие от громоздких кремниевых панелей, пленки OPV могут применяться в качестве модернизации существующих конструкций без значительного структурного усиления. Пилотные проекты продемонстрировали интегрированные в OPV окна, которые генерируют достаточно электроэнергии для компенсации нагрузки освещения в коммерческих зданиях при сохранении теплоизоляции. Поскольку строительные энергетические коды все чаще требуют чистых нулевых или положительных энергетических зданий, OPV предлагают практичное и привлекательное решение.

Носимая и портативная электроника

Гибкость и легкий вес OPV делают их идеальными для питания носимых устройств, таких как умные часы, мониторы здоровья и фитнес-трекеры. Солнечные ткани, сплетенные или ламинированные волокнами OPV, могут собирать окружающий свет для подзарядки батарей, продлевая срок службы и уменьшая потребность в частой зарядке. В портативном электронном пространстве складные солнечные зарядные устройства и банки питания, оснащенные листами OPV, позволяют пользователям подзаряжать телефоны, планшеты или камеры во время пеших прогулок или кемпинга. Такие компании, как SolarPaper разработали легкие, подвижные зарядные устройства OPV, которые весят менее 100 граммов и помещаются в карман рюкзака.

Интернет вещей (IoT) и беспроводные датчики

Миллиарды устройств IoT, датчиков и электроники с низким энергопотреблением развертываются в средах, где замена батарей непрактична или дорогостояща. OPV-ячейки могут собирать энергию от внутреннего освещения или солнечного света для питания этих устройств беспроводным способом, обеспечивая автономную работу без обслуживания. OPV-ячейки могут быть оптимизированы для спектра флуоресцентного или светодиодного освещения, достигая эффективности 10-15% при типичном офисном освещении - достаточно для питания беспроводного датчика температуры или умной этикетки. По мере расширения экосистемы IoT, энергосберегающие OPV будут играть решающую роль в устранении отходов батареи и обеспечении действительно повсеместного зондирования.

Городская инфраструктура и транспорт

Городские среды полны неиспользуемых поверхностей — автобусных остановок, уличной мебели, шумовых барьеров и дорожных знаков — которые могут быть преобразованы в солнечные генераторы с пленками OPV. Поскольку эти пленки легки и просты в установке, они могут быть применены к существующим структурам без дорогостоящей модернизации. Несколько европейских городов уже установили пленки OPV на крышах автобусных укрытий для питания цифровых дисплеев и точек доступа Wi-Fi. В транспорте OPV исследуются для питания вспомогательных нагрузок электромобилей, люков и даже интегрированы в панели кузова легких автомобилей и электронных велосипедов. Ресурс ScienceDirect на приложениях OPV обеспечивает полный обзор этих новых вариантов использования.