Новые технологии приближают нас к дешевым, прозрачным, органическим солнечным батареям
Привет. Эпоха ископаемого топлива подходит к концу, наступает эпоха возобновляемой энергии. По оценкам Всемирного банка, в 2014 году более 80% мировой энергии было получено из ископаемых видов топлива. Эта цифра будет снижаться по мере того, как страны будут реализовывать амбициозные планы по переходу к солнечным, ветровым и другим возобновляемым источникам энергии.
Европейский Союз поставил перед собой цель получать 20 процентов своей энергии из возобновляемых источников к 2020 году и 27 процентов к 2030 году (сейчас 17 процентов). Аналогичным образом, Китай поставил цель в 20 процентов возобновляемых источников энергии к 2030 году.
Несмотря на то, что развитие новых технологий делают достижение этих целей реальностью, это, безусловно, не будет очень легко и дешево. Чтобы сделать возобновляемые источники энергии широко распространенной, доступной реальностью, способы производства, передачи и хранения получаемой энергии нуждаются в улучшении.
Исследование, опубликованное на прошлой неделе в журнале Nature исследователями Университета Мичигана, создает предпосылки для достижения значительного прогресса в производстве солнечной энергии. Исследователи смогли заставить электроны путешествовать дальше, чем это было когда-либо возможно в материалах, используемых для изготовления органических солнечных элементов.
Органическое против неорганического
Подавляющее большинство солнечных панелей, используемых сегодня, являются неорганическими и кремниевыми. Они более эффективны (текущий рекорд составляет 26,6% эффективности, достигнутый в Японии в 2016 году) и имеют более длительный срок службы, чем органические, но они также намного дороже в производстве.
Органические солнечные элементы, с другой стороны, изготовлены из полимеров, чаще всего из пластика. Это означает, что они могут быть собраны с использованием существующих технологий обработки полимеров, что делает их дешевыми для производства, но их эффективность вдвое меньше, чем у неорганических.
Другими словами, Вы получите вдвое больше энергии от ячейки на основе кремния, чем от клетки на основе полимера такого же размера. Это несчастливо, потому что кроме быть недорогим, органические клетки также тонки, гибки, и прозрачны. Это означает, что они могут быть ненавязчиво применены практически ко всему, а именно, например, к 5-7 миллиардам квадратных метров стеклянной поверхности, которые существуют только в США.
Солнечная энергия
Чтобы понять, почему это исследование имеет большое значение, необходимо понять, как работают солнечные панели.
По мере того, как фотоны от солнца ударяют атомы в фотоэлементе, электроны атомов вытесняются и начинают двигать между атомами, производя электрический ток. Клетки содержат встроенное электрическое поле, которое заставляет освобожденные электроны течь в одном направлении. Добавление металлических контактов в ячейку позволяет использовать этот ток для внешнего использования.
Кремний имеет жестко связанные атомные сети, которые облегчают движение электронов по материалу, следовательно, его более высокую проводимость и эффективность. Органические материалы имеют слабосвязанные молекулы, которые могут захватывать электроны, следовательно, что делает их проводимость более низкой.
Что происходит
Команда исследователей обнаружила, что тонкий слой молекул фуллеренов, которые составлены из атомов углерода и также называются Buckyballs, может позволить электронам перемещаться на расстояние в несколько сантиметров от атома, из которого они вытеснены при взаимодействии с фотоном. Это звучит не очень внушительно, но это невероятное увеличение от традиционных нескольких сотен нанометров для органических клеток.
Исследователи нанесли тонкую пленку фуллеренов на энергетический слой органических клеток, затем добавили дополнительный слой, чтобы предотвратить утечку электронов. Они обнаружили, что электроны свободно перемещались по материалу, в том числе вне энергетической области ячейки. Они выявили, что фуллереновый слой создает «энергетический колодец», область с низкой энергией, которая предотвращает рекомбинацию отрицательно заряженных электронов с положительными зарядами, оставленными в энергетическом слое.
"Вы можете представить себе энергию, а также своего рода каньон—электроны попадают в него и уже не могут вернуться. Это как массивная антенна, которая может собирать заряд электрона из любой точки устройства.”
Почему это имеет значение
Влияние этого исследования на солнечную энергетику заключаются в том, что свободно движущиеся и продвигающиеся дальше электроны в органических полупроводниках дают возможность производителям сжимать проводящий электрод солнечных элементов в невидимую сетку, в результате чего прозрачные ячейки могут использоваться на стеклянных поверхностях.
В настоящее время массовое использование результатов исследования ученых в солнечных батареях не представляется возможным. Но это имеет большое значение для понимания и использования свойств органических полупроводников.
Это исследование, предоставляет ученым новую возможность для дальнейшего изучения органических солнечных элементов и других органических полупроводниковых приборов.
