Ученые Мичиганского университета, создавая более гибкую и недорогую модель солнечной батареи, достигли КПД в 15%, с которым органическая солнечная батарея стала представлять коммерческий интерес.
Величина находится в диапазоне производительности многих продаваемых панелей и другой гелиотехники.
Стефан Форрест, профессор инженерии им. Питера А. Франкена и Пол Г. Гебель, профессор инженерии и руководитель исследования говорят: «Органическая батарея может помочь снизить стоимость всей установки и сделать солнечную энергию широко распространенной».
Исследователи прогнозируют, что с 15-процентным КПД и 20-летним сроком службы органической модели стоимость за киловатт-час будет менее 7 центов. Для сравнения, по данным Управления по информации Министерства энергетики США в 2017 году средняя стоимость была 10,5 центов.
В структуре органической батареи помещается углерод, дающий несколько преимуществ перед обычной «неорганической». Производить неорганические батареи на кремниевой основе дорого: толстые, жесткие панели должны быть хорошо закреплены. Дешевле производить панели рулонами, достаточно тонкими, чтобы их можно было сгибать вокруг конструкций и под обшивкой. Они могли бы быть разных цветов или даже прозрачными и сливаться с окружающей обстановкой.
Несмотря на все эти преимущества у органических панелей недостаточный КПД, чтобы конкурировать с традиционными источниками энергии. «За последние несколько лет органическая гелиотехника застряла на уровне производительности 11-12 процентов», — рассказывает Сяочжоу Чэ, докторант по Программе прикладной физики и автор последней статьи в рецензируемом научном журнале Nature Energy.
Чтобы сделать шаг вперед, ученые комбинировали множество нововведений на стадии вычислений и экспериментов. Они начали с того, что сделали систему, в которой были специальные слои, поглощающие как видимый, так и инфракрасный спектр излучения. По сути они положили две ячейки одну на другую: одна преобразует энергию видимого света с длиной волны свыше 350 нанометров, а другая — длинноволновую часть ИК-спектра до 950 нанометров.
«Одна ячейка выдавала 10-11-процентную производительность», — уточняет Чэ. «Положив их друг на друга, мы увеличили поглощение, и с применением антиотражательного покрытия КПД вырос до 15%». Укладка ячеек потребовала прорыва в технологии. Команда разработала взаимосвязанные слои, предотвращающие повреждение первой ячейки, но не мешающие свету и электрическому заряду проникать глубже.
«Из-за вероятности того, что жидкость, необходимая для преобразования света в верхней ячейке, растворит нижние слои, задача считалась нелегкой», — объясняет Чэ.
Наконец, команда доказала, что их проект, материалы и технология достигли высокой удельной продуктивности в более чем 95 процентов. Это значит, что исследователи производили почти все устройства без короткого замыкания — важный показатель для увеличения масштабов до промышленного уровня.
После достижения рекордного КПД в команде верят, что могут продвинуться еще дальше.
«Еще мы можем увеличить светопоглощение для большей силы тока и уменьшить потери для большего напряжения», — заявляет Чэ. «На основании расчетов можно ожидать 18-процентной производительности для тандемного прибора».
