26.04.2018
В плане исследований, целью которых являются более коммерчески выгодные, гибкие, недорогие солнечные элементы, ученые из Университета Мичигана продвинулись далеко вперед. Не так давно они продемонстрировали миру результаты своей работы - органические солнечные панели, которые способны достичь 15% эффективности.
«Органические фотовольтаические элементы смогут потенциально снизить затраты на общую стоимость солнечной энергии, сделав солнечный источник вездесущим чистым источником энергии», - отметили Стивен Форрест, профессор технических наук и профессор инженерных наук Г. Г. Гебель, который руководил работой.
По оценкам исследователей, с учетом их 15% эффективности и 20-летнего срока службы, органические солнечные элементы смогут производить электроэнергию со стоимостью менее 7 центов за киловатт-час. Для сравнения, средняя стоимость электроэнергии в США составляла в 2017 году 10,5 цента за киловатт-час, согласно данным Управления энергетической информации США.
Органические солнечные элементы содержат углерод. Это дает им сразу несколько преимуществ, по сравнению с обычными «неорганическими» элементами. Неорганические солнечные панели на основе кремния стоят дорого, так как состоят из толстых жестких листов, для которых требуются фиксированные точки установки.
Органические, углеродные элементы могут быть изготовлены в виде рулонов, достаточно тонких, чтобы изгибаться вокруг любой основы или даже одежды. Их можно будет производить любого цвета, они могут быть даже прозрачными, и сливаться с окружающей средой.
Несмотря на эти преимущества, органические солнечные элементы не обладают пока той эффективностью, которая необходима для достойной конкуренции с обычными источниками энергии.
«За последние пару лет эффективность органических фотоэлектрических систем остановилась на уровне от 11 до 12 %», - сказал Ксиожу Че, кандидат в доктора, в Программе прикладной физики, и автор нового исследования, опубликованного в издании Nature Energy. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи объединили сразу несколько достижений, в одной технологии.
Во-первых, они разработали систему, которая объединяет слои, способные поглощать как видимый, так и инфракрасный свет. По существу они совместили два органических солнечных элемента: один, способен поглощать свет от видимого спектра, начиная с 350 нм на длине волны, а другой способен поглощать ближний инфракрасный свет до 950 нм на длине волны.
«Сами по себе элементы обеспечивают эффективность от 10 до 11%. Когда мы складываем их вместе, мы увеличиваем поглощение света, а эффективность повышается до 15 %, в том числе и за счет антиотражающего покрытия», - сказал Че.
Чтобы достичь этого, команда специалистов разработала взаимосвязанные слои, которые предотвращают повреждение первого слоя, и все еще позволяют пропускать свет и электрические заряды.
«Это считается сложным процессом, потому что всегда существует вероятность того, что жидкость, используемая для обработки верхнего слоя, будет растворять слои, уже нанесенные под ним», - сказал Че.
Наконец, команда ученых продемонстрировала, что их новые дизайн, материалы и процессы имеют высокую производительность – она составила более 95 %. Это означает, что исследователи успешно совместили все устройства без коротких замыканий, и это крайне важно для расширения производства до промышленного уровня.
Несмотря на установление рекордной эффективности, команда считает, что они могут продвинуть свой прогресс еще дальше.
«Мы сможем улучшить поглощение света и минимизировать потери энергии для увеличения напряжения. Основываясь на расчетах, ожидается, что в ближайшем будущем ожидается 18-% эффективность для этого типа многоканального устройства» - сказал Че.