Несколько слов об органической фотовольтаике. Часть 2

Ноябрь 24, 2013 / Яков Золотов, Специалист по солнечной энергетике

В первой части нашей статьи мы убедились в том, что позиции кристаллического кремния в фотовольтаике весьма прочны, пошатнуть их будет очень нелегко, особенно это не в состоянии сделать органические молекулы. Но так ли это на самом деле? Попробуем разобраться. В чем состоит преимущество солнечных элементов третьего поколения, в отличие от их предшественников?

Несколько слов об органической фотовольтаике. Часть 2

Безусловно, называть какие-либо конкретные цифры пока нет никакого смысла, так как рынок только формируется, и спрос, и предложение неуравновешенны, технологии лишь начинают испытывать не в лабораторных условиях, а на экспериментальных площадках. Но как видно из примера кристаллического кремния, пока нерационально делать какие-либо прогнозы относительно используемых в будущем технологий (стоимость поликристаллических солнечных панелей на протяжении семи лет снизилась втрое).

Исходя из всего выше сказанного, попробуем охарактеризовать не столько экономику производства и использования DSSC либо органических солнечных батарей, а их потенциал, технологии, с помощью которых в дальнейшем можно было бы минимизировать стоимость конечных устройств.

Третье поколение: будущее – рядом!

И по традиции разговор начнем с анализа эффективности солнечных панелей, который был проведен The National Renewable Energy Laboratory.

001

Ретроспективный анализ максимальных показателей эффективности существующих на сегодняшний день солнечных элементов.

На графике можно увидеть целый класс emerging PV – отдельную группу альтернативных методов, которые в любой момент способны выстрелить. Но давайте обо всем по порядку.

Roll-to-Roll process

Специалисты единогласны во мнении о том, что самой значимой характеристикой солнечных элементов последнего пока третьего поколения является то, что их можно печатать.

Объясним. Для производства работающей панели двух предыдущих поколений элементов нужно было создать p-n-переход, для чего приходилось воспользоваться высоковакуумным оборудованием, обеспечить герметичность производственной линии и т.п. При этом пластина передвигалась по конвейеру от начала в конец и «обрастала» контактами и p-n-переходами. Также немаловажную роль играла проблема совмещения масок, которые применялись для травления и создания трехмерной структуры. Неудивительно, что ученые стремились хотя бы немного упростить столь сложный процесс.

Оказывается, процедура попроще на протяжении нескольких последних десятилетий с успехом применяется в полиграфии для печати. Несколько ее модифицировав, можно было бы заменить чернила, к примеру, теми же фотоактивными молекулами (проводниками и полупроводниками), а рисунок на барабане разделить на площадки, которые соответствовали бы отдельным фотоэлементам.

При этом существенно снижается не только вес элементов, но и количество задействованных в процессе материалов, так как в батарее кремний выполняет роль подложки и активного компонента. Сделать подложку сверхтонкой нереально, она должна отличаться хотя бы минимальными механическими характеристиками.

Как же это работает в реальности?

В пределах KIT есть не только «центр трансфера технологий», но и работающий центр, который проводит:

исследования, призванные улучшить характеристики батарей, при этом постоянно поддерживается связь с учеными, которые разрабатывают новые технологии;

прототипный участок, который исследует принципиальную масштабируемость той или иной технологии;

полупромышленный участок, на котором всего за несколько минут можно изготовить солнечные элементы протяжностью в сотни метров.

002

Структура передачи технологии из лабораторных условий на производство. KIT и TU Darmstadt совместно с BASF, Merck

Обращаем внимание на тот факт, что центр функционирует не просто на базе нескольких университетов – активное участие в его работе принимают производители, которые планируют рано или поздно апробировать данные разработки.

Предлагаем вашему вниманию видео о том, как работает выше упомянутая лаборатория:

Одной из самых значимых отраслей использования данного процесса является органическая фотовольтаика.

Органическая фотовольтаика

Как абсурдно бы это ни звучало, атмосфера в мире органической химии достаточно веселая. К примеру, если отыскать среди органических молекул изоляторы, полупроводини, проводники, сверхпроводники. Не так давно вообще полагали, что органические материалы способны вытеснить абсолютно все: арматуру, бетон, железо, да что уж говорить – ученые даже машины планировали делать из карбона. Но не сложилось…

Как бы выглядел органический фотоэлемент, какой бы он был толщины? Возможно, не более чем в 1 микрометр – в 50 раз тоньше, чем человеческий волос?

003
Строение органического солнечного элемента и материалы, которые применяются в процессе его создания.

Как правило, необходимо, чтобы акцептор электронов, именуемый в науке absorber, и донорские молекулы (hole conductor) проникали друг в друга и формировали, таким образом, объемный гетеропереход (в научных кругах - bulk heterojunction). Учитывая тот факт, что реакция разделения электрон-дырочной пары проходит на поверхности, эффективная площадка контакта увеличивается благодаря взаимному проникновению друз в дружку двух фаз. Это влечет за собой соответствие максимальной эффективности батареи.

Подложку не обязательно изготавливать из стекла: анод и катод можно производить по любой из существующих на сегодняшний день технологии, даже на базе полимеров-проводников, а это дает возможность полной мерой реализовывать все достоинства roll-to-roll process.

К сожалению, эффективность подобных батарей оставляет желать лучшего – всего 7-8 процентов, а все потому, что описанные выше молекулярные мотивы не способны по всему диапазону поглощать длину волн от ультрафиолетового до инфракрасного излучения.

С оной стороны это проблема, которая вызывает необходимость разрабатывать более оригинальные схемы – так называемые tandem solar batteries (совмещенные батареи) или просто наклеивать на окно полупрозрачную батарею.

Если говорить о тандемных солнечных элементах (tandem solar batteries), то они представлены двумя подключенными последовательно солнечными элементами, поглощающими свет в двух диапазонах – красном и зеленом. Это удваивает эффективность, так как гораздо больше фотонов превращаются в ток и в ЭДС. Но основная проблема заключается в промежуточном слое, который нужен для комбинирования избыточных зарядов. Ясное дело, что если заряд будет накапливаться в этом слое, эффективность снизиться в результате внутренних потерь.

004

Тандемная солнечная батарея: два органичных солнечных элемента, которые последовательно соединены друг с другом.
005

Пример спектра поглощения органических веществ, которые используются в процессе изготовления тандемных солнечных элементов.

Здесь можно было бы более глубоко затронуть тему материаловедения, но мы не будем этого делать, а только в двух словах попытаемся убедить читателя в том, что высокоэффективные батареи и процесс их изготовления – это не пустая трата времени и средств. Нельзя просто покрыть положку ровным слоем пасты, затем нанести второй слой, третий, как попало, приклеить контакты, и сказать «Готово!». За каждым процентом эффективности стоит не один патент, спецдобавки, которые способны в корне изменить упаковку молекул так, чтобы достичь максимального проникновения компонентов друг в друга. Чтобы описать весь процесс, нужна фундаментальная наука со всеми ее достоинствами и недостатками, с пороками и установками, стоимость которых достигает миллиардов долларов.

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

О солнечных батареях, которые активированы специальным красителем, мир знает достаточно давно. Но всего пару лет назад им удалось преодолеть важный барьер в 15 процентов эффективности. Сейчас это рекорд среди солнечных батарей, которые принадлежат к данному классу. С принципом работы таких батарей можно ознакомиться в упомянутой выше первой части нашей статьи, поэтому мы не станем повторяться.

Как правило, для изготовления DSSC нужна стеклянная подложка, покрытая токопроводящим веществом, к примеру, ITO либо FTO, а это влечет за собой львиную долю расходов на производство. Но стоит отметить, что батареи подобного типа можно адаптировать для печати с помощью roll-to-roll.

И вновь повторимся, что отраслью использования таких элементов питания является не генерация электроэнергии, а скорее эстетично-практичная область, то бишь снижение общего потребления энергии и сохранение при этом высоких жизненных стандартов. Грубо говоря, приклеили к окну батарею, она и обеспечивает дом электричеством.

006

Конференц-центр EPFL, строительство которого ведется на сегодняшний день, оборудуют стеклянным фасадом, базирующимся на технологии DSSC. Сейчас на западной стороне центра специалисты устанавливают разноцветные панели прозрачных солнечных элементов Гратцеля. Солнечными батареями размером 35 на 50 см планируют оборудовать больше трехсот квадратных метров фасада, для этого уйдет около 1400 панелей. Выполнены элементы в нескольких оттенках зеленого, красного и оранжевого цветов, что придаст зданию живой и теплый внешний вид.

Отметим, что подобного рода проект является первым в мире, солнечные элементы были изготовлены таким образом, чтобы не утрачивать эффективности вследствие изменения угла солнечных лучей. Они не только производят электроэнергию, но и защищают помещение от попадания прямого света, а это снизит расходы на кондиционирование. Также в средствах массовой информации появились данные о том, что лицензию на выпуск батарей Гратцеля уже получило 11 компаний-производителей.

И в завершение: чтобы не казаться голословными, приведем несколько примеров организаций, работающих в отрасли альтернативных солнечных элементов:

Konarka. Функционировала с 2001 по 2012-й год, занималась она DSSC и органическими солнечными элементами на основе фуллеренов. За все время работы специалистам компании удалось создать три с половиной сотни патентов в данной отрасли, привлечь 150 миллионов долларов от частных инвесторов и 20 миллионов государственных средств, которые были потрачены на разработку новых технологий и развитие производства. Изобретатели запатентовали солнечные элементы с эффективностью в 8 процентов, при этом срок их службы составлял три года. К сожалению, в прошлом году организация обанкротилась.

Компания Heliatek была учреждена в 200 году, сферой ее деятельности является органическая фотовольтаика. Среди прочих достижений ее специалистов батареи, эффективность которых достигает 12 процентов благодаря правильно выбранной геометрии:

007
Слайд с официального сайта компании Heliatek.

На протяжении четырех лет специалисты компании планируют повысить эффективность панелей до 16-ти процентов:

008
Слайд от компании Heliatek

Если говорить о DSSC, то даже признанные авторитеты в данной отрасли, такие как Samsung и Sony, обращают на них свое внимание. Ученые надеются на то, что благодаря массовому выпуску продукции удастся сократить стоимость модулей до одной трети, если брать в сравнение обычные кремниевые батареи. В Великобритании успешно работает несколько компаний, которые трудятся над данной проблемой.

Вместо эпилога.

Основная проблема современной альтернативной энергетики (не только солнечной) состоит в хранении произведенной энергии и в стоимости этого самого хранения. Данный источник непостоянен, это не атомные станции, которые в некоторых странах освещают дороги даже в светлое время суток. Но возможно, мы неправильно рассматриваем структуру потребления энергии? Человечеству не мешало бы абстрагироваться от проблемы и посмотреть на нее по-новому.

Но как смешно бы это ни звучало, мы живем в период перехода от кремниевого века в век углеродный, и те тенденции, которые можно наблюдать сейчас (имеется в виду органическая фотовольтаика, УНТ, графен, органические светодиоды) – яркое сему доказательство. Спустя не так уже и много времени строительством зданий с использованием панелей Гратцеля уже никого не удивишь. На задней панели iPhone появится двухмикронная органическая батарея, способная подзаряжать девайс везде, где есть источник света, а машины с электрическими двигателями вообще станут такой себе сплошной солнечной батареей…

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий