Новая энергетика

Печатные фотоэлементы с высокой эффективностью преобразования солнечной энергии

Новости - Новости солнечых технологий

Солнечные батареи первого поколения используют кремниевую технологию. К сожалению, достаточно большие производственные расходы не дают возможности этой технологии стать конкурентоспособной. ФВ устройства второго поколения, использующие тонкопленочную технологию аморфного кремния, теллурида кадмия или диселениды медь-индий-галлия, дешевле, чем кремний. Однако и эти устройства не получили широкого распространения, поскольку такие материалы вызывают определенные экологические и производственные проблемы. Наконец, третье поколение фотоэлементов - органические фотовольтаические элементы могут произвести значительно более дешевую солнечную энергию. Такие элементы основаны по сути на электропроводящих полимерах. Полимерные устройства могут быть напечатаны или нанесены другими способами, например, как обычная краска (чернила), на подложку. При этом могут быть использованы известные, широко распространенные дешевые методы печати. В дополнение, исходные материалы для таких красок - повсеместны - и практически не оказывают негативного влияния на окружающую среду.

Для исследования новой технологии Райтеш Типнис (Ritesh Tipnis) и Дэрин Лэрд (Darin Laird) из фирмы Plextronics Inc., штат Пеннсильвания, разработали структуру органической фотовольтаической краски (фотовольтаических чернил). Новая структура способна решить ряд проблем, с которыми сталкиваются традиционные фотовольтаические технологии, а также существенно эффективнее известных фотовольтаических красок. Системы органических фотовольтаических красок, разработанных авторами, уже доступны для исследовательских целей разработчикам печатных солнечных фотоэлеменов.

В качестве анода использован прозрачный электрод из оксида индий-олово, нанесенный на пластик или стекло. Обычно анод покрывают слоем краски с дырочной проводимостью толщиной до 100 нм. Этот слой краски проводящей выравнивает рельеф поверхности анода и упрощает улавливание положительно заряженных носителей (дырок) с наружного слоя, принимающего солнечное излучение. Фотоактивный слой состоит из полупроводникового полимера p-типа и материала n-типа, которые смешаны в растворителе. Катод как правило изготавливают из кальция или алюминия.

Показатели ОФВ зависят от региорегулярных свойств (regioregularity) совершенно нового полимера из семейства тиофенов - poly-3-hexylthiophene (P3HT), который входит в состав многослойной системы. Фотоактивная пленка формируется из смеси P3HT и другого полимера - PCBM, по составу известного как [6,6] phenyl-C61 butyric-acid methyl ester. Именно такая смесь используется в некоторых наиболее эффективных органических фотоэлементах сегодняшнего дня. В комбинации со слоем краски с дырочной проводимостью в подобных системах получена эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую порядка 3-4% (в лабораторных образцах).

Авторы настоящей работы разработали новые р - и n - типы материалов с уникальными электрооптическими свойствами (наиболее плотно заселенный молекулярный энергетический уровень, ширина запрещенной зоны, подвижность зарядов) и морфологическими свойствами, которые дают более высокие показатели ОФВ систем. Новая технология позволила получить эффективность лабораторных фотоэлементов, равной 5,98% и больших полевых модулей фотоэлементов, равной 1,56%. Работа по увеличению эффективности системы и долговременной стабильности ее характеристик продолжается сразу по нескольким направлениям. Основными из них на сегодня являются усовершенствование технологии синтеза материалов и формулы фотовольтаической краски, а также дизайн и изготовление самого устройства.