Прорыв в создании органических солнечных элементов с КПД 17% обеспечит чистое крупномасштабное производство
Совместная группа китайских и шведских ученых показала рекордную эффективность органических фотоэлементов на уровне 17% за счет добавления молекулы-акцептора, что позволяет наладить их коммерческий выпуск с использованием экологически чистых растворителей.
Органические солнечные элементы стремительно развиваются, и их максимальная энергоэффективность, достигаемая в лаборатории, сегодня превышает 18%. Этот показатель демонстрирует, какая часть энергии солнечного света преобразуется фотоэлементами в полезную энергию.
Считается, что для органических солнечных элементов предел КПД составляет около 24%. Одна из проблем для их массового внедрения — недостаточная стабильность (неспособность надежно работать более 10 лет). Другая проблема заключается в том, что наибольшая выработка энергии достигается в элементах, изготовленных в растворах с токсичными растворителями с относительно низкой температурой кипения.
Низкая температура кипения делает масштабное производство невозможным, так как раствор испаряется слишком быстро. В тоже время, использование более экологичных растворителей с более высокими температурами кипения неотвратимо приводит к снижению энергоэффективности. Это дилемма, над решением которой работают исследователи во всем мире.
Ответ найден в совместном проекте, возглавляемом исследователями из Университета Линчёпинга в Швеции и Университета Сучжоу в Китае. Им удалось изготовить солнечный элемент, используя раствор с высокой температурой кипения и без каких-либо токсичных ингредиентов. Его энергоэффективность выше 17%.
«Это важный шаг на пути к крупномасштабному промышленному производству эффективных и стабильных органических солнечных элементов», — говорит Фэн Гао, профессор кафедры физики, химии и биологии (IFM) Университета Линчёпинга.
Сделанный на основе новой разработки солнечный модуль площадью 36 см² показывает эффективность преобразования энергии более 14%. На сегодняшний день это самый высокий КПД для модулей из органических фотоэлементов с активной площадью более 20 см². Оба этих достижения важны для технологии органических солнечных батарей, поскольку они делают возможным коммерческий прорыв.
«Наши результаты открывают дорогу для производства органических солнечных элементов в больших масштабах для использования вне помещений», — говорит постдок Руй Чжан из отдела электронных и фотонных материалов Университета Линчёпинга.
Характеристики новых фотоэлементов улучшались постепенно. Когда солнечный свет в виде фотонов поглощается органическим полупроводниковым донором, образуется «возбужденное состояние». Электроны сдвигаются на более высокий энергетический уровень и создают дыры на более низком уровне, к которым они, тем не менее, все еще притягиваются. Электроны полностью не освобождаются, и фототок не возникает. Исследователи провели эксперименты, в которых добавили различные акцепторные материалы, которые принимают электроны и, таким образом, позволяют им освободиться, вызывая фототок.
Ранее китайские исследователи разработали новый акцепторный материал под названием Y6, который обеспечивает высокий КПД элементов. В ходе последней работы была найдена «молекула-гость», известная как BTO, которая отвечает за плотное и стабильное расположение Y6 в солнечном элементе, обеспечивая постоянную генерацию фототока. Добавление BTO также позволяет производить солнечные элементы большей площади с высокой эффективностью.
«Наша стратегия ведет к четким правилам проектирования для оптимизации взаимодействия между органическими донорами и акцепторами в многокомпонентных смесях, отвечающих критическим требованиям для будущего развития органических фотоэлектрических технологий», — говорит профессор Яовен Ли из Университета Сучжоу.
В области солнечной энергетики появляется много перспективных технологий и материалов, но кристаллические кремниевые фотоэлементы доминируют с 95-ю процентами всех установок. В них используется драгоценное серебро в качестве проводника, но австралийская компания SunDrive разрабатала альтернативу, в которой вместо него применяется более экологичная медь.
