15.09.2019
Солнечные элементы, которые используют смеси органических молекул для поглощения солнечного света и преобразования его в электричество, которое может быть применено к изогнутым поверхностям (кузов автомобиля, к примеру), могут стать на шаг ближе к реальности. И это - благодаря открытию, которое бросает вызов традиционному мышлению о ключевом компоненте этих устройств.
Основной органический солнечный элемент состоит из тонкой пленки органических полупроводников, зажатой между двумя электродами. Она выводит заряды, генерируемые в слое органического полупроводника, во внешнюю цепь. Давно предполагалось, что 100% поверхности каждого электрода должно быть электропроводным, чтобы максимизировать эффективность извлечения заряда.
Ученые из Университета Уорика обнаружили, что электроды в органических солнечных элементах на самом деле нуждаются только в 1% площади поверхности, чтобы быть электропроводящими, полностью эффективными. Это открывает двери для использования ряда композитных материалов на границе раздела между электродами и собирающими свет слоями органических полупроводников для повышения их производительности снижения стоимости.
Научный руководитель исследования, доктор Росс Хаттон сказал: «Широко распространено мнение, что если вы хотите оптимизировать производительность органических солнечных элементов, вам необходимо максимально увеличить площадь поверхности раздела между электродами и органическими полупроводниками. Так ли это?».
Исследователи разработали модельный электрод, на котором они могли систематически изменять площадь поверхности, и обнаружили, что, когда электрическая изоляция достигает 99% его поверхности, электрод продолжает работать так же хорошо, как если бы проводили все 100% поверхности.
Высокоэффективные органические солнечные модули имеют дополнительные прозрачные слои на интерфейсах между электродами и слоем собирающего свет органических полупроводников, которые необходимы для оптимизации распределения света в устройстве и улучшения его стабильности, но также должны иметь возможность проводить заряды к электродам. Это сложно, и не многие материалы отвечают всем этим требованиям.
Доктор Динеша Дабера, исследователь этого проекта, объясняет: «Этот новый вывод означает, что композиты из изоляторов и проводящих наночастиц, таких как углеродные нанотрубки, фрагменты графена или металлические наночастицы, могут иметь большой потенциал для этой цели, предлагая улучшенную производительность устройства и более низкую стоимость. Органические солнечные фотоэлементы очень близки к коммерциализации, но еще не совсем готовы. Поэтому все, что позволит еще больше сократить расходы и одновременно повысить производительность, поможет это сделать».
Доктор Хаттон объясняет: «Мы продемонстрировали правило проектирования для этого типа солнечных элементов, которое открывает гораздо большие возможностей выбора материалов в устройстве и может помочь коммерчески реализовать их».
Органические солнечные элементы потенциально очень безвредны для окружающей среды, поскольку они не содержат токсичных элементов и могут обрабатываться при низкой температуре с использованием осаждения с рулона на рулон, поэтому могут иметь чрезвычайно низкий углеродный след и короткое время окупаемости энергии.
Доктор Хаттон объясняет: «Существует быстро растущая потребность в солнечных элементах, которые могут поддерживаться на гибких подложках, которые легки и настраиваются по цвету. Обычные кремниевые солнечные элементы отлично подходят для крупномасштабного производства электроэнергии на солнечных фермах и на крышах зданий, но они плохо приспособлены к потребностям электромобилей и для интеграции в окна зданий, которые больше не используются в нишах. Органические солнечные элементы могут быть размещены на изогнутых поверхностях, они очень легкие и имеют низкий профиль. Это открытие позволит этим новым типам гибких солнечных элементов стать коммерческой реальностью раньше, потому что это даст разработчикам этого класса солнечных элементов больший выбор материалов, которые они могут использовать».