Прозора енергія: перетворення вікон в сонячні панелі

 Останнім часом раз у раз говорять про зелену енергію, поновлюваних джерелах оной, а також про методи її одержання, зберігання та використання. І це цілком логічно, адже населення планети невпинно зростає, а запаси викопних джерел енергії стрімко вичерпуються. Рано чи пізно може настати такий момент, коли вся енергія, яка використовується людьми, буде вироблятися сонцем, вітром і т.д. Тому багато дослідників займаються вдосконаленням існуючих та створенням нових методик збору зеленої енергії. Сьогодні ми познайомимося з дослідженням, в якому вчені з Мічиганського університету розробили прозорі (точніше напівпрозорі) сонячні панелі. З чого була створена дана технологія, який принцип її роботи, і чи зможуть хмарочоси стати ефективними збирачами сонячної енергії? На ці питання ми знайдемо відповіді в доповіді вчених. Поїхали.

Основа дослідження

Сонячні панелі колись були досить великою рідкістю, але зараз, благо справа, їх доступність і популярність сильно зросли. Нещодавно я проходив повз одного житлового будинку в своєму місті і зауважив, що його глухі стіни і дах повністю покриті сонячними панелями. Це викликало у мене в рівній мірі здивування, захоплення і море питань щодо ефективності, економічної вигоди та іншого. Проте цей емпіричний приклад добре демонструє одну особливість - панелі були встановлені там, де вони не будуть заважати (тобто не на вікнах).

Звичайно, існують цілі поля сонячних панелей, що займають сотні квадратних метрів (а то і більше), але в густонаселених і, отже, густозастроенних містах занадто мало вільного простору для такого методу установки. Хтось скаже: «якби сильно хотіли зелену енергію і сонячні панелі, то і місце знайшлося б». Згоден, але реальність поки інша. Зайвого простору між висотками може і не дуже багато, але ось чого багато, так це вікон, які самі могли б стати збирачами сонячної енергії.

На даний момент вже існує кілька розробок в області напівпрозорих сонячних панелей, ефективність яких досягає 7%. В їх розробці важливу роль відіграють органічні напівпровідники. У порівнянні з неорганічними напівпровідниками, вузькі екситонні * смуги всередині органічних напівпровідників відкривають нові можливості в області органічних фотоелектричних елементів (далі OPV від organic photovoltaics), так як багато органічні сполуки вибірково поглинають світло за межами видимого діапазону довжин хвиль.

Ексітон * - електронне збудження в напівпровіднику, діелектрику або металі, що переміщається по кристалу, але не пов'язане з перенесенням електричного заряду і маси.

Ефективність напівпрозорих фотоелектричних елементів (ST-OPV) в 7% може радувати вчених і людей, які розуміють складність досягнення такого показника у настільки нестандартною технології, але з точки зору економічної вигоди це занадто мало. Крім того, лише невелика частка з розроблених ST-OPV досягає видимої прозорості в ~50%, що є критичним для багатьох додатків.

В результаті для створення ST-OPV необхідно знайти баланс між ефективністю збору енергії і достатнім рівнем прозорості, що не є проста задача. Вчені також додають, що багато хто вже створені ST-OPV мають досить неестетичний зовнішній вигляд (відтінок скла), що також ніяк не сприяє популяризації цієї технології.

На сьогоднішній день ефективні ST-OPV нейтрального кольору в основному зосереджені на використанні матеріалів з сильним поглинанням в ближній інфрачервоній області (NIR), що включають структури багатоперехідних пристроїв для мінімізації втрат на термалізація, що просвітлюють покриттів (ARC) або апериодических діелектричних відбивачів (ADR) для збільшення поглинання.

У розглянутому нами сьогодні праці вчені описують свій варіант ST-OPV, який досягає PCE = 10.8 ± 0.6% і APT = 45.7 ± 2.1%, що призводить до LUE = 5.0 ± 0.3.

PCE * - ефективність перетворення енергії (power conversion efficiency);

APT * - середня светопропускная здатність (average photopic transmission);

LUE * - ефективність використання світла (light-utilization efficiency).

У пристрої використовується NFA молекула NFA (нефулереновий акцептор) з високим поглинанням в ближньому ІЧ-діапазоні, для синтезу якої потрібно всього кілька кроків. Незважаючи на те, що NFA мають частково ковалентно конденсовані кільцеві структури (а не жорсткі і повністю конденсовані), в них спостерігалися сильні міжмолекулярні π - π взаємодії та щільна упаковка молекул (1А).

Комбінація матеріалів, що поглинають світло в ближньому ІЧ-діапазоні, вивідних (вихід фотонів з світлодіода після генерації) структур (OC від outcoupling) на вихідний поверхні і прозорих електродів дозволила досягти того самого компромісу між ефективністю, прозорістю і естетичністю.

Нейтральний за кольором ST-OPV з використанням прозорого анода з оксиду індію-олова (ITO від indium tin oxide) показав PCE = 8.1 ± 0.3%, APT = 43.3 ± 1.5% і LUE = 3.5 ± 0.1%. Показники світла, що проходить через пристрій, були такими: коефіцієнт передачі кольору (CRI) = 86; Корельована колірна температура (CCT) = 4143 K; хроматичні координати - (0.38, 0.39).

Результати дослідження

На зображенні 1А показані молекулярні структури трьох досліджених NFA, один з яких (а саме SBT-FIC) продемонстрував повністю злилася молекулярну основу. Два інших NFA (A078 і A134) з частково сплавленими ядрами є ізомерами SBT-FIC, що містять чотири тиофена, два циклопентадієну і одне бензольне кільце.

Одним з основних відмінностей між трьома NFA є складність синтезу. На виготовлення SBT-FIC потрібно 10 етапів синтезу, а для створення A078 і A134 - всього від 4 до 6 етапів. На додаток до цього, A078 і A134 привабливі ще й досить великим виходом, а також менш токсичними і більш дешевими матеріалами для синтезу.

Спектри поглинання NFA в УФ-видимому діапазоні показані на 1В і 1С. Дивно, але тонкі плівки A078 і A134 демонструють значні Батохромний зрушення * ~ 135 нм у порівнянні з SBT-FIC з піком поглинання при λmax = 900 нм.

Батохромний зрушення * - зміщення спектральної смуги в довгохвильову область під впливом заступників або змін середовища.

Циклічна вольтамперометрия NFA молекул показала, що у SBT-FIC енергії вищої зайнятої молекулярної орбіталі * (ВЗМО) і нижчої вакантної молекулярної орбіталі (НВМО) склали EH = -5.81 (± 0.02) і EL = -4.15 (± 0.03) еВ. Для A078 показники були: 5.58 (± 0.02) і -4.06 (± 0.03) еВ. А для A134: -5.54 (± 0.02) і -4.05 (± 0.03) еВ.

Молекулярна орбіталь * - математична функція, яка описувала хвильове поведінку електронів в молекулі.

ВЗМО (вища зайнята молекулярна орбіталь) - орбіталь, яка серед заповнених в основному стані має найбільшу енергію.

НВМО (нижча вакантна молекулярна орбіталь) - повністю або частково вакантна молекулярна орбіталь з найменшою енергією серед всіх заповнених.

A078 і A134 демонструють нижчу ВЗМО-НВМО заборонену зону (~1.40 еВ), ніж SBT-FIC (~1.65 еВ), що узгоджується з оптичними вимірюваннями.

Далі NFA, змішані з PCE-10, був використаний в OPV зі структурою ITO / ZnO (30 нм) / активний шар (~100 нм) / MoO3 (20 нм) / Ag (100 нм).

На графіку 2А показані характеристики щільності струму і напруги вищеописаних NFA + PCE-10.

У пристрої на базі A078 були досягнуті наступні показники: PCE = 13.0 ± 0.4%, VOC = 0.75 ± 0.01 В, JSC = 24.8 ± 0.7 мА / см2 і FF = 0.70 ± 0.04.

Пристрій OPV на основі A134 показало: PCE = 7.6 ± 0.2% з VOC = 0.75 ± 0.01 В, JSC = 16.7 ± 0.5 мА / см2 і FF = 0.61 ± 0.03.

Для пристрою PCE-10: SBT-FIC показники були такими: PCE = 7.8 ± 0.3% з VOC = 0.70 ± 0.01 В, JSC = 17.2 ± 0.7 мА / см2 і FF = 0.65 ± 0.02.

Варто відзначити, що добавка 1-фенілнаталена (PN) призводить до значного підвищення ефективності пристроїв A078 і A134 в порівнянні з SBT-FIC, що пов'язано з поліпшеною молекулярної упаковкою A078 і A134, а також більш сприятливою орієнтацією молекул в суміші. Також видно, що пристрій PCE-10: A134 показує більш низький PCE в порівнянні з OPV PCE-10: A078. Це пов'язано з кристалличностью A134, що призводить до його більш низьку розчинність.

Графік 2В показує спектри зовнішньої квантової ефективності * (EQE) різних варіантів пристрою.

Квантова ефективність * - відношення числа фотонів, поглинання яких викликало утворення квазичастиц, до загальної кількості спожитих фотонів.

Значне поліпшення JSC для A078 в порівнянні з SBT-FIC OPV пов'язано з його червоним зміщенням * поглинання на ~ 200 нм, яке забезпечує охоплення сонячного спектра далі в NIR.

Червоне зміщення * - явище, коли збільшується довжина хвилі випромінювання (світло стає більш червоним, наприклад), а частота і енергія зменшуються.

EQE A078 OPV досягає 80%, між λ = 700 і 900 нм, залишаючи вікно прозорості між видимими довжинами хвиль від 400 до 650 нм.

На графіках 3А-3С показані профілі різних пристроїв на базі чистих плівок NFA і суміші PCE-10: NFA с / без додавання 1-фенілнаталена.

При додаванні 1-фенілнаталена показник поглинання плівки PCE-10: NFA практично не змінюється. А ось в сумішах PCE-10: A078 і PCE-10: A134 виявлений новий яскраво виражений пік агрегації близько 900 нм. Це вказує на те, що добавка 1-фенілнаталена підсилює міжмолекулярні π - π взаємодії на частково пов'язаних акцептором, а не на полімерному донора.

Далі були вивчені морфологічні властивості різних варіантів пристрою.

A078 демонструє широкий (100) пік дифракції при 0.31 Å-1 з довжиною ламеллярной когерентності Lc = 7.5 нм. У разі A134 пік дифракції був більш вузьким і гострим при 0.36 Å-1 з більш високим значенням Lc = 15 нм. З цього випливає, що у A134 більш висока впорядкованість, ніж у A078, що пояснюється заміною об'ємної бічного ланцюга молекули п-гексілфеніла компактними лінійними алкільних ланцюгами.

SBT-FIC в свою чергу показує дифракційну пік при 0.34 Å-1 з найменшою довжиною ламеллярной когерентності Lc = 3.7 нм через його аморфної природи.

За рахунок додавання 1-фенілнаталена дифракційні піки (010) PCE-10: A078 і PCE-10: A134 (3E) при 1.79 і 1.82 Å-1 (через NFA) зміщені і показують збільшену довжину когерентності (24 проти 52 Å для A078) і (30 проти 63 Å для A134).

А ось внесення добавок в PCE-10 ніяк не впливає на значення когерентності. Це підтверджує, що морфологічні відмінності між варіантами пристрої походять від NFA, а не від донора.

Крім того, при використанні 1-фенілнаталена була виявлена ​​залежність від орієнтації молекул (паралельна або перпендикулярна). Для PCE-10: A078 відношення «паралельна / перпендикулярна» збільшується з 2.37 до 3.64 (3D). З огляду на те, що паралельна орієнтація молекул є ідеальною для переносу заряду, стає очевидним, чому саме пристрій A078 володіє такою високою ефективністю (в порівнянні з іншими варіантами).

Зважаючи на ці даних саме A078 був використаний в досліджуваних напівпрозорих фотоелектричних елементах (ST-OPV), структура яких виглядала наступним чином: ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10: A078 (95 нм) / MoO3 (20 нм) / Ag ( 16 нм).

Отриманий ST-OPV показав LUE = 2.8 ± 0.1%, PCE = 11.0 ± 0.7% і APT = 25.0 ± 1.3%. Однак, незважаючи на непоганий показник PCE> 10%, застосовувати даний пристрій в архітектурі не можна, так як там потрібно, щоб середня светопропускная здатність APT була ~ 50%.

Вирішити цю проблему вчені змогли за рахунок спеціально розробленої структури для управління оптичними властивостями пристрою, що дозволяє досягти максимального пропускання у видимому діапазоні і максимального відображення в ближньому ІЧ-діапазоні.

На анод з срібла було нанесено оптичне OC-покриття, що складається з чотирьох шарів: CBP (C36H24N2 на висоту 35 нм, коефіцієнт заломлення 1.90) / MgF2 (100 нм, 1.38) / CBP (70 нм) / MgF2 (45 нм). А на дистальну поверхню скляної підкладки наносили ARC (шар просветляющего матеріалу), що складається з бислоя MgF2 (120 нм) і SiO2 (130 нм) з досить низьким коефіцієнтом заломлення 1.12.

ST-OPV з OC і ARC продемонстрував збільшення середньої светопропускной здатності (APT) з 25.0 ± 1.3% до 45.7 ± 2.1%, що є поліпшенням майже на 80% в порівнянні з пристроєм без додаткових шарів (тобто без OC і ARC) . Значення ефективності перетворення енергії (PCE) практично не змінилося (4С). Спостерігалося лише незначне зменшення щільності струму (JSC = 20.4 ± 0.8 проти 20.9 ± 1.2 мА / см2). При використанні даної конфігурації пристрою ефективність використання світла склала LUE = 5.0 ± 0.3%. Даний показник, за заявою вчених, є найвищим серед наявних на даний момент ST-OPV пристроїв.

Основні показники розробленого пристрою багатообіцяючі, залишилося вивчити його зовнішній вигляд, що було зроблено за допомогою змодельованого сонячного світла (AM1.5G).

Світло, що пройшло крізь пристрій з ОС і ARC покриттям, мав хроматичні координати (0.33, 0.39) і CCT = 5585 K. Тим часом, висока відбивна здатність ультратонкого катода зі срібла при λ> 600 нм надає пристрою зелений відтінок. На відміну від Ag, ITO має більш високу прозорість з плоским спектром пропускання у видимій області. Якщо використовувати катод і анод ITO, то в результаті можна отримати більш нейтральний відтінок.

На графіках і фото вище показані спектральні характеристики щільності струму, напруги та EQE пристрою ST-OPV на основі ITO з наступною структурою: MgF2 (120 нм) / скло ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10: A078 (105 нм) / MoO3 (20 нм) / напилення ITO (140 нм) / MgF2 (145 нм) / MoO3 (60 нм) / MgF2 (190 нм) / MoO3 (105 нм).

У порівнянні з ST-OPV на основі Ag, пристрій на основі ITO показує відмінності в FF і VOC через його більш високою роботи виходу * і поверхневого опору (~ 50 Ом / квадрат).

Робота виходу * - енергія, яку повинен отримати електрон для його видалення з обсягу твердого тіла.

Але найбільш значущі відмінності спостерігалися в показниках JSC і PCE. Оскільки пристрій стає все більш прозорим, відображення від ITO анода в тонку активну область зменшується, усуваючи подвійний прохід фотонів. Щоб звести до мінімуму втрату фотонів низької енергії, OC покриття було спеціально розроблено з максимальним пропусканням у видимій області спектра і більш високою здатністю, що відображає на більш довгих хвилях. Таким чином, пристрій з OC покриттям має на 15% вищі значення JSC і PCE в порівнянні з ITO пристроєм без покриття, хоча видима прозорість при цьому практично не змінюється.

ITO пристрій з ОС покриттям демонструє LUE = 3.5 ± 0.1%, PCE = 8.1 ± 0.3% і APT = 43.3 ± 1.5%, і має майже нейтральний відтінок. Також аналіз трестируємого пристрою показав, що воно передає колір об'єкта за ним (5D).

Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути в доповідь учених і додаткові матеріали до нього.

Епілог

У містах повно будинків (вибачте за очевидне), отже, безліч вікон. Використання їх в якості майданчика для збору сонячної енергії є досить розумною, але складною в реалізації ідеєю. З одного боку необхідно збирати максимум енергії, з іншого - суть вікна в тому, що воно прозоре.

У цій праці вчені змогли продемонструвати робочий прототип пристрою напівпрозорого фотоелектричного елемента з PCE = 10.8 ± 0.6%, APT = 45.7 ± 2.1% і LUE = 5.0 ± 0.3%. Іншим словами, ефективність пристрою склала 10.8%, а його прозорість 45.8%. Основною перевагою даної розробки є баланс між цими показниками.

На даний момент ефективність використання світла становить близько 5%, що вже добре, адже попередники могли видати максимум 2-3%. Однак вчені мають намір продовжити свою працю і досягти 7%. Ще одним завданням, яку вони перед собою поставили, є продовження терміну служби пристрою до 10 років. Довговічні, ефективні і естетично красиві фотоелементи зможуть перетворити звичайне офісна будівля в свого роду сонячну електростанцію.

Хотілося б сказати, що подібні дослідження своєчасні, проте це не так. Такими розробками, особливо настільки масово, як зараз, варто було займатися набагато раніше, не чекаючи моменту, коли запобігання екологічної та енергетичної катастрофи перетвориться в розбір наслідків. У будь-якому випадку подібні починання, хоч і з запізненням, мають величезну важливість не тільки для майбутнього людства, а й для майбутнього нашої планети.

Про це пише Хабр