Ulepszenie bocznego ogniwa słonecznego — zaawansowane wiadomości naukowe

Nowe podejście do projektowania i wyspecjalizowane materiały organiczne pomagają poprawić wydajność ogniw słonecznych typu side-by-side, przesuwając wytwarzanie energii na drugą stronę.

Energia słoneczna jest jednym z głównych źródeł taniej i odnawialnej energii oraz niezbędnym narzędziem pomagającym złagodzić pogłębiający się kryzys klimatyczny. Najpowszechniej stosowaną metodą przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną są ogniwa słoneczne, które wytwarzają prąd elektryczny pod wpływem światła słonecznego. Dlatego rozwój tanich, niezawodnych i wydajnych ogniw słonecznych ma ogromne znaczenie dla przejścia od paliw kopalnych do tej czystej formy energii.

Konwencjonalne ogniwa słoneczne są generalnie wykonane z różnych półprzewodników, które są materiałami przeznaczonymi do zarządzania i kontrolowania przepływu prądu elektrycznego w urządzeniach elektronicznych. Półprzewodniki organiczne, materiały składające się głównie z atomów węgla, są bardzo popularne w tej dziedzinie, ponieważ występują powszechnie w przyrodzie, są niedrogie do przetwarzania na poziomie przemysłowym, a kolejne ogniwa słoneczne wykonane z ich wykorzystaniem są elastyczne i przezroczyste.

Jednak haczyk polega na tym, że ich wydajność, a konkretnie szybkość, z jaką dochodzące światło słoneczne jest przekształcane w energię użytkową, jest ograniczona. Ponadto większość cząsteczek organicznych może generować energię elektryczną tylko wtedy, gdy jest wystawiona na działanie światła o określonej długości fali, co oznacza, że ​​aby wykorzystać całe spektrum słoneczne, które obejmuje promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe oprócz światła widzialnego, zwykle buduje się organiczne ogniwa słoneczne używając dużej objętości. Szereg różnych filmów, z których każdy jest wrażliwy na ułamek widma promieniowania słonecznego.

„Tradycyjne organiczne ogniwa fotowoltaiczne mają strukturę warstwową, to znaczy warstwy organiczne, które wytwarzają prąd przez światło słoneczne, są umieszczone pionowo między dwiema elektrodami” – wyjaśnił Masahiro Hiramoto, profesor w National Institutes of Natural Sciences i University of Advanced Studies. w Japonii. „W szczególności na szklanym podłożu przezroczysta elektroda, warstwa organiczna i elektroda metalowa są kolejno osadzane w kierunku pionowym. Dlatego indukowany światłem prąd płynie w kierunku pionowym w stosunku do powierzchni podłoża.”

Ponieważ różne półprzewodniki organiczne różnie reagują na światło słoneczne, ma to negatywny wpływ na konstrukcję i rozmiar „kanapki”, która tworzy tak zwane tandemowe ogniwo słoneczne.

„W przypadku konwencjonalnych kolumnowych ogniw organicznych istnieją poważne ograniczenia w łączeniu wielu materiałów, ponieważ wielkość prądu generowanego przez każdą z różnych warstw organicznych musi być równa” – powiedział Hiramoto. „To poważne ograniczenie w produkcji ogniw tandemowych”.

Podejście boczne

Aby pokonać tę przeszkodę, naukowcy zaprojektowali nowy typ ogniwa słonecznego z innym układem elektrod w stosunku do warstwy warstwowej, usuwając wszelkie ograniczenia dotyczące prądu przepływającego przez każdą warstwę. Ten nowy projekt został nazwany bocznym ogniwem słonecznym, ponieważ prąd płynie teraz poziomo, a nie pionowo.

„Boczne ogniwa fotowoltaiczne zawierają dwie elektrody, które są osadzone na prawej i lewej krawędzi błony organicznej” – wyjaśnił Hiramoto. „Dlatego indukowany światłem prąd w warstwie organicznej płynie w kierunku poprzecznym względem powierzchni podłoża. Oznacza to, że nieskończoną liczbę warstw organicznych można dowolnie układać bez ograniczeń w celu wykorzystania całego widma słonecznego” To marzenie naukowców zajmujących się ogniwami słonecznymi”.

Chociaż taki układ elektrod pozwala na uzyskanie innego prądu w każdej warstwie, nadal miał pewne wady, którymi zajął się zespół. ich studia Opublikowany w Dobra kondycja fizyczna a. Grubości folii są zwykle rzędu nanometrów, a długość wynosi kilka milimetrów (czasem centymetrów). Dlatego elektrony poruszane przez padające światło muszą pokonać znacznie większą odległość, aby dotrzeć do elektrod w ogniwach słonecznych montowanych z boku niż w konwencjonalnych ogniwach kolumnowych.

Ta różnica odległości sprawia, że ​​komórka jest bardziej wrażliwa na stężenie elektronów i właściwości materiału, takie jak ruch elektronu lub prędkość, z jaką porusza się on przez film.

„Potencjalna odległość przepływu prądu w membranach organicznych została określona na setki nanometrów ze względu na ich niską mobilność” – dodał Hiramoto. Dlatego ogniwa kolumnowe możemy wytwarzać tylko dlatego, że odległość przepływu prądu jest równa grubości warstwy (odległość między dwiema elektrodami), czyli mniejsza niż 1 μm. Ponieważ jednak materiały organiczne o wysokim stopniu ruchliwości zostały opracowane bardziej ostatnio wzrosła potencjalna odległość przepływu prądu. Prąd w warstwach organicznych jest rzędu milimetra. Dlatego teraz łatwiej jest wytwarzać organiczne ogniwa słoneczne typu side-scroll”.

stymulanty poprawiające wydolność

Aby ulepszyć istniejące projekty ogniw słonecznych side-by-side, Hiramoto i jego współpracownicy dodali celowo zanieczyszczenia do materiałów organicznych w procesie zwanym dopingiem. Oddziaływania między półprzewodnikiem a zamierzonym zanieczyszczeniem zwiększają liczbę wolnych elektronów, które można wykorzystać do wytworzenia prądu elektrycznego.

Naukowcy pracowali z kanapką wykonaną z dwóch warstw półprzewodników organicznych o grubości 100 nm, znanych jako C8-BTBT i PTCDI-C8. Pierwszy był domieszkowany F₄TCNQ, a ten ostatni z Cs₂współ₃które są dobrymi donorami elektronów.

„Domieszkowanie, czyli dodanie niewielkiej ilości zanieczyszczenia dostarczającego lub akceptującego elektrony z warstw organicznych, skutkuje warstwami organicznymi, które są zarówno bogate w elektrony, jak i ubogie” – wyjaśnił Hiramoto. Ogniwo słoneczne zostało ulepszone.

Naukowcy eksperymentowali z ilością zanieczyszczeń dodawanych do warstw organicznych i badali ich wpływ na obecną generację. W rezultacie znaleźli optymalne poziomy domieszkowania, które prawie podwoiły prąd elektryczny generowany przez padające światło w ich ogniwach słonecznych ustawionych obok siebie.

Ogniwa słoneczne stanowiące dowód słuszności koncepcji miały rozmiar zaledwie ułamka milimetra i potrzeba więcej pracy, zanim będzie można je zwiększyć i zastosować w praktyce. Naukowcy mają jednak nadzieję, że postęp w materiałoznawstwie umożliwi to w nadchodzących latach.

Postęp w dziedzinie członkostwa [compounds] — powiedział Hiramoto. Dużo organicznej mobilności [materials], który pozwala na przepływ prądu powyżej zamawianej odległości w centymetrach, zostanie opracowany w ciągu 10 lat. Następnie istniejące nowe organiczne ogniwo słoneczne można zastosować w praktyce”.

Referencje: Jaseela Palassery Ithikkal, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto, Organiczne znieczulenie fotokomórką bocznąSolidi a (2023), stan fizyczny, DOI: 10.1002/pssa.202300108

Wyróżniony obraz: PublicDomainPictures na Pixabay