Солнечные батареи

Органические  солнечные батареи

Органическая наноэлектроника – очень быстро развивающаяся в настоящее время область. Она имеет дело с приборами, в которых полупроводник является органическим материалом, т.е. состоит в основном углерода, азота, водорода и кислорода. Использование органических материалов в солнечной энергетике позволить существенно снизить стоимость солнечных батарей. Основной материал солнечных батарей – кремний – достаточно дорогой материал. Использование органики позволит снизить их стоимость примерно в 4 раза. Стремительно растет КПД органических солнечных батарей. В 2007 году он достиг значения 6,5%.

На настоящий момент лучшие значения подвижности носителей  заряда в органических материалах уже  сопоставимы с подвижностями  в a-Si. Принцип работы органической солнечной батареи показан на рис. 1, а наиболее эффективные донорные и акцепторные материалы в органических солнечных батареях с объемным гетеропереходом — на рис .2.

Рисунок 1. Принцип действия органической солнечной батареи

Рисунок 2. Наиболее эффективные  донорные и акцепторные материалы в органических солнечных батареях с объемным гетеропереходом.

Солнечные элементы, созданные  на базе органических красителей, позволяют  достигнуть КПД - 9%. Принцип их работы заключается в поглощении фотонов  недорогой тонкопленочной структурой, содержащей молекулы красителя, закрепленные в слое оксида титана, нанесенном на стеклянную или пластмассовую подложку. Поглощение фотона приводит к возбуждению  молекулы красителя, из которой высвобождаются электроны. Затем они попадают в  слой оксида титана, по которому передаются к отрицательному выводу элемента.

Было рассмотрено два  варианта увеличения полезной площади  элемента. В одном фоточувствительный слой наносили на поверхность наночастиц, в другом – на поверхность нанотрубок. Использование наночастиц увеличивает площадь, но затрудняет движение электронов. Нанотрубки лишены этого недостатка, но не так заметно увеличивают полезную площадь. Объединив эти две методики - смешав наночастицы и нанотрубки – можно достичь высокой эффективности фотопреобразования.

 

 

 

 

Солнечная энергетика: фотовольтаический взгляд

Фотовольтаика - метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. По данным EPIA самой распространенной является кремниевая солнечная технология (она занимает 90% рынка). Кремниевые солнечные элементы могут делать из монокристаллического, поликристаллического (или мультикристаллического) или аморфного кремния (гибкие солнечные модули). Гибкие солнечные панели позволяют размещать их на поверхностях самой различной формы, что увеличивает площадь покрытия батареями, а модули с линзовыми системами, концентрирующими солнечное излучение, позволяют сэкономить на дорогостоящем материале. Кроме кремниевой кристаллической технологии существует тонкопленочная технология. Она состоит в нанесении пленок соединений на подложку из стекла или пластика. Соединения могут быть разными : аморфный кремний, кадмий теллур (CdTe), соединения типа медь-индий/галлий-диселенид/дисульфид, многослойные соединения.

Рис. 3. Кремний аморфный, микро- и поликристаллический.

Производство кремниевых солнечных батарей все еще  остается дорогостоящим процессом(см.рисунок 3): самым дешевым из кремниевого авангарда является аморфный кремний. Сократить расходы на производство могла бы помочь тонкопленочная технология. Было бы неплохо нанести материал на поверхность подложки, исключив ряд технологических операций с моно- и поликремнием. Однако использование тонких пленок автоматически требует от материала высокого значения коэффициента поглощения. Для этого тонкие пленки кремния, как непрямозонного материала, не слишком хороши (КПД всего 6-9%). Увеличение поглощения для непрямозонного материала требует увеличения его толщины. В качестве наиболее подходящих соединений используют CdTe и CuInSe2, демонстрирующие КПД вплоть до 20%. Среди недостатков тонкопленочной технологии можно назвать относительную непредсказуемость выращенной на подложке структуры, сложности в формировании омических контактов, а также те эффекты, которые вносят различные желаемые и нежелаемые неоднородности тонкой пленки (атомы примесей, атомы серы в CuInSe2 и пр.). Существенно снизить стоимость солнечных блоков и увеличить удельную мощность могли бы концентраторы. Использование недорогой оптики для концентрирования солнечной энергии на небольших площадях может повысить КПД до 37%.

На рисунке 4 представлена сравнительная диаграмма-график трех "поколений" материалов солнечных батарей. Первое поколение (I) - монокристаллический кремний. Второе поколение (II) - тонкие пленки аморфного кремния, CdTe и CuInSe2, ячейки с красителями и органические солнечные ячейки. Третье поколение (III) - солнечные ячейки, КПД которых превышает теоретический предел в 32%, рассчитанный Шокли в 1961 году. Вообще, причинами снижения КПД являются рекомбинационные процессы, отражение от поверхности, несовпадение ширины запрещенной зоны с энергией падающих фотонов (если она меньше Eg- материал прозрачен, если больше - излишки энергии отдаются кристаллической решетке в виде тепла). Каскадные солнечные элементы могут повысить КПД. В них солнечные элементы располагают по мере уменьшения ширины запрещенной зоны по ходу следования луча света. В солнечных ячейках третьего поколения, используя многослойные соединения, можно "обойти" этот теоретический предел. Исследованием процессов взаимного преобразования солнечной и электрической энергии в растворах электролитов с электродами изучает фотоэлектрохимия.

Рис. 4. Диаграмма "КПД-цена" для разных поколений солнечных батарей.

 

Фотоэлектрохимические системы, разработанные в 70-х - 80-х годах  прошлого века, основаны на помещении  полупроводникового электрода в  раствор электролита. Полученный таким  образом источник энергии имеет  несколько преимуществ: для создания перехода необходимо всего лишь погрузить полупроводниковый электрод в электролит, полученный переход недеформирован и практически идеален, для конвертации солнечной энергии в энергию химических реакций не нужны соединяющие проводники. Недостатками являются ограниченный срок службы электрода, высокая стоимость установки. Итак, полупроводниковый электрод погружается в электролит. Скорость электрохимических реакций пропорциональна концентрации подвижных носителей заряда на поверхности электрода-полупроводника. Так как концентрация подвижных заряда в полупроводнике невелика (по сравнению с металлами), полупроводниковая обкладка двойного электрического слоя диффузна. Если имеется донорный полупроводник в качестве электрода, то при его освещении образуются фотоэлектроны, которые начинают свое движение в сторону омического контакта, а дырки, образующиеся в валентной зоне, участвуют в анодных реакциях на электроде. Электроны, прошедшие через всю цепь, возвращаются во второй электрод и далее в раствор, участвуя таким образом в катодных реакциях. Так сохраняется электронейтральность раствора, в который погружен полупроводниковый электрод. Необходимо отметить важность диффузионной длины неосновных носителей заряда. Вещество, в котором большое количество дефектов и неоднородностей обладает малым значением диффузионной длины. Электроны и дырки не успевают достичь поверхности, чтобы рекомбинировать или принять участие в химической реакции. Наноразмерные структуры позволяют снизить требования к диффузионной длине, которая должна быть сравнима с размерами самого устройства.

Возможно в качестве активного вещества использовать молекулы красителя. Они адсорбируются на поверхности TiO2 стержня, который не поглощает солнечное излучение из-за слишком большой ширины запрещенной зоны: более 3 эВ (рисунок 5). Возникает возбужденное состояние молекул красителя, электроны переходят в TiO2, а в красителе остаются дырки. Таким образом осуществляется необходимое для работы батареи разделение зарядов. Изначально, в возбужденном красителе электрон и дырка находятся в экситонном состоянии и реализовать разделение заряда невозможно. Только при диссоциации (при погруженном в раствор электролита электроде) происходит пространственное разделение зарядов и течет электрический ток. Электроны, вернувшись во второй электрод (обычно металл), диффундируют в раствор неводного электролита и восстанавливают молекулы красителя.

Помимо того, что фотоэлектрохимические  устройства могут быть источниками  электрической энергии, они могут  ее и хранить. На рисунке 6 показана упрощенная схема. Устройство хранения имеет три электрода. В темноте  происходят обратные реакции с обратным током электронов (через резистор R2). Реакция на катоде аналогична, с  той лишь разницей, что поток электронов исходит не от фотоанода, а от третьего электрода.

Рис. 5. Схема солнечной батареи на красителях.

Рис. 6. Фотоэлектрохимический аккумулятор.

Органические солнечные  батареи отличаются от уже рассмотренных  фотохимических источников энергии  тем, что в качестве электрода  и электролита используются органические соединения. Ими могут быть молекулярные полупроводники (перилен n-типа и фталоцианин р-типа), полупроводниковые полимеры (политиофен р-типа и фуллерен n-типа). В результате поглощения света в органических соединениях не образуется пары "свободный электрон-дырка". Образуется экситон - связанное состояние электрона и дырки. Экситон электронейтрален, поэтому разделение заряда не выполняется. Когда же экситоны диффундируют к границе раздела, происходит диссоциация - электроны затягиваются в n-область, а дырки - в p-область (см.рисунок 7).

Фотовольтаика - одна из наиболее перспективных областей альтернативной энергетики. Начиная с третьего искусственного спутника Земли все последующие космические аппараты оснащались солнечными батареями. Сегодня такие модули уже участвуют в энергообеспечении отдельных домов, используются в качестве переносных источников энергии.

 

 

Рис. 7. Органические солнечные батареи.

 

 

 

 

 

 

Солнечные батареи  на органических красителях – очередной  шаг к дешевой солнечной энергии

Цветосенсибилизированные солнечные ячейки, называемые иногда ячейками Гретцеля, в честь ее изобретателя Михаэля Гретцеля, профессора химии швейцарской политехнической школы Лозанны, долго рассматривались как многообещающая технология, позволяющая существенно снизить стоимость ватта солнечной энергии. Такие панели потенциально могут быть гораздо дешевле в производстве, чем стандартные солнечные панели. Но этот потенциал так и не был реализован, так как в панелях с приемлемой для коммерческого использования эффективностью до сих пор было необходимо использование летучих электролитов, требующих герметизации панелей и красителей на основе дорогого металла рутения.

Теперь Гретцель в сотрудничестве с Китайской Академией Наук нашли альтернативу и тому, и другому материалу и создали новый тип фотоэлемента на красителях, не только высокоэффективный, но и дешевый и более прочный.

 Ключ к новой технологии  – новый органический краситель,  разработанный профессором Чанчуньского Института Прикладной Химии Пенг Вонгом и его коллегами. Органические красители уменьшают стоимость производства панелей благодаря дешевизне по сравнению с красителями на основе рутения. Также исследователи использовали новый тип электролита, называемый ионной жидкостью.

«Мы впервые продемонстрировали возможность создания устойчивых, не содержащих растворителей фотоэлементов, показывающих высокую эффективность  по сравнению с рутениевыми красителями» – сказал Вонг.

Исследователи установили новый  рекорд эффективности для фотоэлементов, включающих молекулы органических красителей. Чтобы конкурировать с традиционными  солнечными элементами, элементам на красителях нужно достичь эффективности  преобразования света по крайней мере в 10%. Фотоэлементы Вонга и его коллег достигли КПД в 9,8%. «В случае эффективностей, даже маленькое увеличение имеет значение» – говорит Гретцель. Он рад видеть успехи исследователей, «подходящих так близко к порогу эффективности органических панелей в 10%, так как это – магическое число».

В случае, когда органические краситель и ионная жидкость используются одновременно, эффективность падает до 8,1%, но уже и этот результат можно считать существенным прорывом, считает Гретцель. Хотя при комбинировании нелетучих электролитов с рутениевыми красителями, эффективность уже превышала 10 процентов. «Десять лет назад мы не думали, что сможем получить более 1%» говорит он.

Путем замены традиционных рутения и йод на порфирин и кобальт был увеличен слой, который поглощает солнечный свет, что приводит к эффективному электронному обмену между красителем и подложкой. Интересно, что за счет применения новых химических соединений, сенсибилизированные красители приобрели зеленоватый оттенок, а процесс преобразования стал всё больше напоминать фотосинтез.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Солнечные батареи  — одни из самых перспективных  электрогенераторов будущего.

 

Существует несколько  видов  солнечных батарей, включая  силиконовые батареи, которые в  качестве основы содержат силикон, и  сенсибилированные красителем солнечные элементы, в которых используются органические красители. На сегодняшний день группа японских исследователей добилась успехов в области органических тонкопленочных солнечных батарей. Одна из ведущих химических компаний «Toray» достигла высочайшей производительности преобразования энергии с помощью органических тонкопленочных солнечных батарей.

 

Панели солнечного коллектора на крышах и стенах

 

Исследовательская группа профессора Кадзухито Хасимото Токийского Университета ведет разработку тонкопленочных солнечных батарей, которые, обладая одним из качеств нанотехнологий — самоорганизацией, могут быть использованы в качестве краски. Самоорганизация — это процесс, в результате которого молекулы вещества автономно приобретают заданную структуру. Применение материалов с такими характеристиками делает возможным производство органических тонкопленочных солнечных батарей, которые могут наноситься на поверхность в жидкой форме, такой как краска. Профессор Хасимото и его команда разработали материал, молекулы которого самоорганизуются в заданную структуру с энергетической разницей в 20 нанометров. Им также удалось добиться 3 % КПД передачи преобразования энергии в органических тонкопленочных солнечных батареях, в которых используется этот материал. Профессор Хасимото говорит, что в будущем возможно использование этого материала для крыш и стен домов который, в сущности, позволит домам самостоятельно обеспечивать себя электроэнергией.

 

Как работают органические тонкопленочные солнечные батареи?

 

В тонкопленочных солнечных  батареях между электродами находится  тонкий слой из двух типов органического  материала, и электроны этого  слоя, перемещаясь, вырабатывают энергию. Два материала, содержащиеся в микропленке  представляют собой донорный материал, высвобождающий электроны, и акцепторную примесь, которая принимает эти электроны и направляет их к катоду. При повышении электрического напряжения и электрического тока, вырабатываемых солнечной батареей, увеличивается КПД передачи преобразования энергии. Максимальное напряжение зависит от энергетической разницы между донорным и акцепторным материалами, в то время как максимальный электрический ток зависит от состояния перехода между двумя материалами.