Улучшение боковых солнечных элементов

Новый подход к проектированию и специальные органические материалы помогают повысить эффективность параллельных солнечных элементов, трансформируя параллельное производство электроэнергии.

Солнечная энергия является одним из основных источников дешевой и возобновляемой энергии, а также важным инструментом, помогающим смягчить усугубляющийся климатический кризис. Наиболее широко используемый метод преобразования солнечной энергии в электричество — это использование солнечных элементов, которые генерируют электрический ток при воздействии солнечного света. Поэтому разработка дешевых, надежных и эффективных солнечных элементов имеет первостепенное значение для перехода от ископаемого топлива к этой чистой форме энергии.

Обычные солнечные элементы обычно изготавливаются с использованием различных полупроводников, которые представляют собой материалы, предназначенные для управления и контроля потока электрического тока в электронных устройствах. Органические полупроводники, материалы, состоящие в основном из атомов углерода, очень популярны в этой области, потому что они распространены в природе, доступны для обработки на промышленном уровне, а последующие солнечные элементы, изготовленные с их использованием, гибки и прозрачны.

Однако загвоздка в том, что их эффективность, особенно скорость преобразования поступающего солнечного света в полезную энергию, ограничена. Кроме того, большинство органических молекул могут генерировать электричество только при воздействии света с определенной длиной волны, а это означает, что для того, чтобы воспользоваться преимуществами всего солнечного спектра, который включает в себя инфракрасное и ультрафиолетовое излучение в дополнение к видимому свету, обычно строят органические солнечные элементы. с использованием большого объема. Ряд различных пленок, каждая из которых чувствительна к части спектра солнечного излучения.

«Обычные органические фотоэлектрические элементы имеют многослойную структуру, то есть органические пленки, которые генерируют ток под действием солнечного света, вертикально зажаты между двумя электродами», — пояснил Масахиро Хирамото, профессор Национального института естественных наук и Университета перспективных исследований. в Японии. «В частности, на стеклянной подложке прозрачный электрод, органическая пленка и металлический электрод последовательно осаждаются в вертикальном направлении. Следовательно, световой ток течет в вертикальном направлении по отношению к поверхности подложки».

Поскольку разные органические полупроводники по-разному реагируют на солнечный свет, это отрицательно сказывается на конструкции и размере «сэндвича», из которого состоит так называемый тандемный солнечный элемент.

«В случае обычных столбчатых органических элементов существуют серьезные ограничения для комбинации нескольких материалов, поскольку величина тока, генерируемого каждым из различных органических слоев, должна быть одинаковой», — сказал Хирамото. «Это серьезное ограничение для производства тандемных ячеек».

Боковой подход

Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи разработали новый тип солнечного элемента с другим расположением электродов по отношению к сэндвичу из пленки, сняв любые ограничения на ток, протекающий через каждую пленку. Этот новый дизайн получил название Side-Side Solar Cell, поскольку ток теперь течет горизонтально, а не вертикально.

«Боковые фотогальванические элементы содержат два электрода, которые нанесены на правый и левый края органической пленки», — пояснил Хирамото. «Поэтому светоиндуцированный ток в органической пленке течет в латеральном направлении по отношению к поверхности подложки. Это означает, что бесконечное количество органических слоев может быть уложено свободно без ограничений с целью использования всего солнечного спектра. , Это мечта ученых, занимающихся солнечными батареями».

Хотя такое расположение электродов допускает разный ток в каждой пленке, у него все же были некоторые недостатки, которые команда устранила. их исследования Опубликовано в Крепкое физическое состояние. Толщина пленки обычно составляет порядка нанометров при длине в несколько миллиметров (иногда сантиметров). Следовательно, электроны, перемещаемые входящим светом, должны пройти гораздо большее расстояние, чтобы достичь электродов в солнечных элементах, установленных сбоку, чем в обычных столбчатых элементах.

Эта разница в расстоянии делает клетку более чувствительной к концентрации электронов и к свойствам материала, таким как движение электрона или скорость, с которой он движется через пленку.

«Было определено, что потенциальное расстояние для прохождения тока в органических мембранах составляет сотни нанометров из-за их низкой подвижности», — добавил Хирамото. Поэтому мы можем изготавливать столбчатые ячейки только потому, что расстояние протекания тока равно толщине пленки (расстоянию между двумя электродами), т. е. меньше 1 мкм.Однако поскольку органические материалы с высокой степенью подвижности разработаны более В последнее время потенциальное расстояние протекания тока увеличилось. Ток в органических пленках составляет порядка миллиметра. Поэтому теперь стало легче изготавливать органические солнечные элементы с боковой прокруткой».

стимуляторы для повышения работоспособности

Чтобы улучшить существующие конструкции солнечных элементов, расположенные рядом друг с другом, Хирамото и его коллеги намеренно добавили примеси в органические материалы. Этот процесс называется легированием. Взаимодействия между полупроводником и предполагаемой примесью увеличивают количество свободных электронов, которые можно использовать для генерации электрического тока.

Ученые работали с сэндвичем из двух пленок органических полупроводников толщиной 100 нм, известных как C8-BTBT и PTCDI-C8. Первый был легирован F₄TCNQ, а последний с Cs₂со₃которые являются хорошими донорами электронов.

«Легирование, то есть добавление небольшого количества электронодонорной или акцепторной примеси из органических слоев, приводит к тому, что органические слои одновременно богаты электронами и бедны электронами», — объяснил Хирамото. Солнечная батарея была усовершенствована.

Исследователи экспериментировали с количеством примесей, добавляемых в органические пленки, и изучали их влияние на генерацию тока. В результате они нашли оптимальные уровни легирования, которые почти удвоили электрический ток, генерируемый падающим светом в их солнечных элементах, расположенных бок о бок.

Солнечные элементы для проверки концепции были размером всего в доли миллиметра, и требуется дополнительная работа, прежде чем их можно будет увеличить и применить на практике. Однако ученые говорят, что надеются, что достижения в области материаловедения сделают это возможным в ближайшие годы.

Продвижение в области членства [compounds] — сказал Хирамото. Много органической подвижности [materials], который позволяет току течь выше порядкового расстояния в сантиметрах, будет разработан в течение 10 лет. Затем существующий новый органический солнечный элемент можно будет применить на практике».

Источник: Джасила Палассери Итиккал, Сейитиро Идзава, Масахиро Хирамото, Органическая боковая фотоэлементная анестезияSolidi a (2023), физическое состояние, DOI: 10.1002/pssa.202300108

Избранное изображение предоставлено: PublicDomainPictures на Pixabay