Полимерные солнечные батареи: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
(Показать все непатрулированные изменения)
[непроверенная версия][непроверенная версия]
← Предыдущая правка
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
Внесена новая секция, отдельные правки устаревших сведений, добавлены ссылки
Нет описания правки
Метки: через визуальный редактор с мобильного устройства из мобильной версии
 
(не показано 28 промежуточных версий 17 участников)
Строка 1: Строка 1:
'''Полимерные солнечные батареи''' — разновидность [[солнечные батареи|солнечных батарей]], которые производят [[электричество]] из солнечного света. Берет свое начало с 1992 года, когда впервые были опубликованы данные о переносе заряда с полпроводникового полимера на [[акцептор (физика)|акцептор]]. <ref> N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger,F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene, Science 258, (1992) 1474</ref> Относительно новая технология, активно исследуемая в университетах, национальных лабораториях и нескольких компаниях по всему миру. Демонстрируются устройства-прототипы с [[Солнечная батарея#Эффективность фотоэлементов и модулей|эффективностью]] конверсии энергии 11,5 %.<ref>[http://www.nrel.gov/ncpv/ NREL Таблица эффективности солнечных батарей]</ref>
'''Полимерные солнечные батареи''' — разновидность [[солнечные батареи|солнечных батарей]], которые производят [[электричество]] из солнечного света. Берёт своё начало с 1992 года, когда впервые были опубликованы данные о переносе заряда с полупроводникового полимера на [[акцептор (физика)|акцептор]].<ref>N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger,F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene, Science 258, (1992) 1474</ref> Относительно новая технология, активно исследуемая в университетах, национальных лабораториях и нескольких компаниях по всему миру. Демонстрируются устройства-прототипы с [[Солнечная батарея#Эффективность фотоэлементов и модулей|эффективностью]] конверсии энергии 17,4 %.<ref>{{Cite web |url=https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20191106.pdf|title=Best Research-Cell Efficiencies|lang=en|access-date=2019-11-16 |archive-date=2019-11-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20191116002055/https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20191106.pdf |deadlink=yes}}</ref> [[Файл:Belectric cell.jpg|thumb|Функциональный прототип производства Beletric OPV]]


== Устройство полимерной солнечной батареи ==
== Устройство полимерной солнечной батареи ==
Полимерные солнечные батареи обычно представляют собой послойно наложенные друг на друга [[тонкие пленки]] из [[полимер]]ных материалов, выполянющие различные функции.<ref>[http://www.energy.dtu.dk/english/Research/Polymer-Solar-Cells Polymer-Solar-Cells]</ref> В зависимости от субстрата, толщина одной батареи может быть от 500 нанометров. <ref>[http://phys.org/news/2012-04-scientists-ultra-thin-solar-cells.html Scientists develop ultra-thin solar cells]</ref> Так, на прозрачную полимерную основу (субстрат), покрытую проводящим слоем [[Оксид индия-олова| оксида индия-олова]], служащую [[электрод]]ом, наносят фотоактивный слой, состоящий из [[Акцептор (физика)|электрон-акцептора]] и [[донор (физика)|электрон-донора]].<ref>[http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-polymersolarcells/lc-layer.html The layer stack]</ref>
Полимерные солнечные батареи обычно представляют собой послойно наложенные друг на друга [[тонкие плёнки]] из [[полимер]]ных материалов, выполняющие различные функции.<ref>{{Cite web |url=http://www.energy.dtu.dk/english/Research/Polymer-Solar-Cells |title=Polymer-Solar-Cells |lang=en|accessdate=2015-09-10 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150919033513/http://www.energy.dtu.dk/english/Research/Polymer-Solar-Cells |archivedate=2015-09-19 |deadlink=yes }}</ref> В зависимости от субстрата, толщина одной батареи может быть от 500 нанометров.<ref>{{Cite web |url=http://phys.org/news/2012-04-scientists-ultra-thin-solar-cells.html |title=Scientists develop ultra-thin solar cells |access-date=2015-09-10 |lang=en|archive-date=2015-04-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150424201814/http://phys.org/news/2012-04-scientists-ultra-thin-solar-cells.html |deadlink=no }}</ref> Так, на прозрачную полимерную основу (субстрат), покрытую проводящим слоем [[Оксид индия-олова|оксида индия-олова]], служащую [[электрод]]ом, наносят фотоактивный слой, состоящий из [[Акцептор (физика)|электрон-акцептора]] и [[донор (физика)|электрон-донора]].<ref>{{Cite web |url=http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-polymersolarcells/lc-layer.html |title=The layer stack |lang=en|access-date=2015-09-10 |archive-date=2015-09-20 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150920084121/http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-polymersolarcells/lc-layer.html |deadlink=no }}</ref>


Есть два типа фотоактивных слоев:
Есть два типа фотоактивных слоев:
* Объемный гетеропереход (Твердофазная [[смесь (химия)|смесь]] двух материалов);<ref>Yu, G.; Pakbaz, K.; Heeger, A. J. Appl. Phys. Lett. 1994, 64 (25), 3422–3424.</ref> [[Файл:Solar cell Russian.png|thumb|Полимерная солнечная батарея стандартной архитектуры]]
* Объемный гетеропереход (Твердофазная [[смесь (химия)|смесь]] двух материалов);<ref>Yu, G.; Pakbaz, K.; Heeger, A. J. Appl. Phys. Lett. 1994, 64 (25), 3422–3424.</ref><ref>{{Cite web|url=http://worldofmaterials.ru/233-perspektivnaya-alternativa-polimernye-solnechnye-batarei |title=Мир современных материалов - Перспективная альтернатива: полимерные солнечные батареи|lang=ru|access-date=2015-09-13|archive-date=2016-06-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160611130606/http://worldofmaterials.ru/233-perspektivnaya-alternativa-polimernye-solnechnye-batarei |deadlink=no }}</ref>
* Два отдельных слоя [[Акцептор (физика)|электрон-ацептора]] и [[донор (физика)|электрон-донора]], нанесенные последовательно.
* Два отдельных слоя [[Акцептор (физика)|электрон-акцептора]] и [[донор (физика)|электрон-донора]], нанесённые последовательно.


Поверх фотоактивного слоя раполагается металлический [[электрод]], [[кальций|кальциевый]], [[алюминий|алюминиевый]] или [[серебро|серебряный]], в зависимости от архитектуры батареи. В современных образцах между фотоактивных слоем и электродами помещают дополнительные слои: [[электрон]]-проводящие или [[дырка|дырко]]-проводящие, или соответственно [[электрон]]-блокирующие и [[дырка|дырко]]-блокирующие. Расположение этих слоев относительно фотоактивного слоя определяется архитектурой батареи.<ref>Litzov I., Brabec C.Development of Efficient and Stable Inverted Bulk Heterojunction (BHJ) Solar Cells Using Different Metal Oxide Interfaces. Materials 2013, 6, 5796-5820</ref>
Поверх фотоактивного слоя располагается металлический [[электрод]], [[кальций|кальциевый]], [[алюминий|алюминиевый]] или [[серебро|серебряный]], в зависимости от архитектуры батареи. В современных образцах между фотоактивных слоем и электродами помещают дополнительные слои: [[электрон]]-проводящие или [[дырка|дырко]]-проводящие, или соответственно [[электрон]]-блокирующие и [[дырка|дырко]]-блокирующие. Расположение этих слоев относительно фотоактивного слоя определяется архитектурой батареи.<ref>Litzov I., Brabec C.Development of Efficient and Stable Inverted Bulk Heterojunction (BHJ) Solar Cells Using Different Metal Oxide Interfaces. Materials 2013, 6, 5796-5820</ref>


Архитектура батареи бывает двух типов: прямая (стандартная) или обратная (перевернутая). В перевернутой, как следует из названия, [[электрический заряд|электрические заряды]] экстрагируются противоположными электродами. Так, исследования показали, что у батарей стандартной архитектуры [[Солнечная батарея#Эффективность фотоэлементов и модулей|эффективность]] выше, чем у перевернутых, однако стабильность ниже. Низкая стабильность обусловлена тем фактом, что в стандартных батареях в качестве электрода используется [[кальций]], который быстро [[окисление|окисляется]] на воздухе до [[кальция оксид]]а, который имеет худшую [[проводимость]]. В свою очередь, обратная архитектура позволяет использовать в качестве электродов [[серебро]] и [[золото]], более устойчивые к окислению.<ref>[http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-degradation/lc-spe/lc-spec-elec.html Electrodes]</ref>
Архитектура батареи бывает двух типов: прямая (стандартная) или обратная (перевернутая). В перевернутой, как следует из названия, [[электрический заряд|электрические заряды]] экстрагируются противоположными электродами. Так, исследования показали, что у батарей стандартной архитектуры [[Солнечная батарея#Эффективность фотоэлементов и модулей|эффективность]] выше, чем у перевернутых, однако стабильность ниже.[[Файл:Solar cell Russian.png|thumb|Полимерная солнечная батарея стандартной архитектуры]] Низкая стабильность обусловлена тем фактом, что в стандартных батареях в качестве электрода используется [[кальций]], который быстро [[окисление|окисляется]] на воздухе до [[кальция оксид]]а, который имеет худшую [[проводимость]]. В свою очередь, обратная архитектура позволяет использовать в качестве электродов [[серебро]] и [[золото]], более устойчивые к окислению.<ref>{{Cite web |url=http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-degradation/lc-spe/lc-spec-elec.html |title=Electrodes|lang=en|access-date=2015-09-10 |archive-date=2015-09-20 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150920031134/http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-degradation/lc-spe/lc-spec-elec.html |deadlink=no }}</ref>


Для улучшения экстракции электронов в перевернутых батареях часто используют прозрачные проводящие оксиды, такие как [[Оксид титана(IV)|титана оксид]] и [[цинка оксид]], часто в виде [[наночастица|наночастиц]] или наноструктурированных пленок. В последнее время больше внимания уделяется исследованиям других слоев, способных улучшать экстракцию электронов, в том числе полимерных.
Для улучшения экстракции электронов в перевернутых батареях часто используют прозрачные проводящие оксиды, такие как [[Оксид титана(IV)|титана оксид]] и [[цинка оксид]], часто в виде [[наночастица|наночастиц]] или наноструктурированных плёнок. В последнее время больше внимания уделяется исследованиям других слоев, способных улучшать экстракцию электронов, в том числе полимерных.


Для улучшения экстракции дырок применяются прозрачные проводящие [[полимеры]], например смесь поли(3,4-этилендиокситиофена) и полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) или другие проводящие оксиды с более подходящими для жтого электронными уровнями, такие как [[Оксид ванадия(V)|ванадия оксид]], [[молибдена оксид]]. В последнее время все больший интерес вызывают полупроводники на основе [[графен]]а и графена оксида.
Для улучшения экстракции дырок применяются прозрачные проводящие [[полимеры]], например смесь поли(3,4-этилендиокситиофена) и полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) или другие проводящие оксиды с более подходящими для этого электронными уровнями, такие как [[Оксид ванадия(V)|ванадия оксид]], [[Оксид молибдена(VI)|молибдена оксид]]. В последнее время все больший интерес вызывают полупроводники на основе [[графен]]а и графена оксида.

== Физические процессы в полимерных батареях ==

=== Поглощение света ===
В полимерных солнечных батареях фотоактивный слой состоит из двух типов материалов: [[донор (физика)|донора]] и [[акцептор (физика)|акцептора]]. При попадании [[свет]]а на поверхность батареи, донор (обычно сопряжённый [[полимер]]) поглощает [[фотон]] света. [[Длина волны]] (т.е. энергия) этого [[фотон]]а зависит напрямую от [[химия|химической]] структуры донора и его организации в [[полимерные плёнки|плёнке слоя]] (например, кристалличности). Поглощённая [[энергия]] [[фотон]]а возбуждает [[электрон]] из [[Энергетический уровень|основного состояния]] в [[Возбуждение (физика)|возбуждённое состояние]], или из верхней занятой [[Теория молекулярных орбиталей|молекулярной орбитали]] (англ. HOMO) до низшей свободной [[Теория молекулярных орбиталей|молекулярной орбитали]] (англ. LUMO).<ref>{{Cite web |url=http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-polymersolarcells/lc-how.html |title=How do polymer solar cells work |lang=en|access-date=2015-09-13 |archive-date=2015-09-20 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150920083724/http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-polymersolarcells/lc-how.html |deadlink=no }}</ref>

=== Экситон ===
Полученная в результате такого возбуждения квазичастица называется [[экситон]] Френкеля и состоит из [[дырка|дырки]] (то есть отсутствия электрона, положительного [[Электрический заряд|заряда]]) и возбуждённого электрона (отрицательного [[Электрический заряд|заряда]]).<ref>{{Cite web |url=http://ecoportal.su/news.php?id=62636 |title=Улавливание лучей: органические солнечные батареи делают прыжок вперед |lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2014-07-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140709040915/http://ecoportal.su/news.php?id=62636 |deadlink=no }}</ref> Экситон не имеет [[Электрический заряд|заряда]] и не может служить носителем, однако может перемещаться по сопряжённой системе донора. В зависимости от [[спин]]ового состояния [[экситон]]ы могут быть [[синглетное состояние|синглетными]] и [[триплетное состояние|триплетными]]. Срок жизни синглетного экситона составляет наносекунды, а триплетного около миллисекунды или больше. При определённых условиях синглетный экситон может перейти в триплет.<ref>[http://sfiz.ru/page.php?al=energiju_mozhno_peredava Энергию можно передавать с помощью триплетных экситонов]</ref>

Экситон перемещается в системе донора не далее 5-20 нм, в зависимости от вида полимера. Далее он имеет две возможности:
*[[Диссоциация (химия)|Диссоциировать]] и разделиться на отдельные положительный и отрицательный заряды, если экситон встретит на своём пути акцептор;
*Распасться с излучением поглощённой энергии (путём [[фосфоресценция|фосфоресценции]] или [[люминесценция|люминесценции]], в зависимости от типа экситона), если ближайшая молекула донора расположена за пределами возможной длины перемещения экситона.

Для полимерных солнечных батарей последний путь представляет собой потерю эффективности: важны только [[экситон]]ы, которые могут диссоциировать. Энергия сопряжения [[дырка|дырки]] и [[электрон]]а в [[экситон]]е в полимерных системах очень высока, около 0,5-1 [[Электронвольт|эВ]] и поэтому при комнатной температуре [[термодинамика|термодинамической составляющей]] недостаточно, чтобы разделить [[экситон]] на [[Электрический заряд|заряды]].<ref>{{Cite web |url=http://femto.com.ua/articles/part_2/4626.html |title=Экситон |lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2015-03-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150330071915/http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4626.html |deadlink=no }}</ref> Поэтому для разделения экситона важны два аспекта: отсутствие порядка в системе (англ. disorder) и присутствие второго компонента, акцептора.

Низшая свободная молекулярная орбиталь акцептора должна иметь меньшую энергию, чтобы инициировать диссоциацию экситона и облегчить переход электрона на молекулы акцептора. Так, диссоциация экситона происходит на границе двух фаз: донора и акцептора, поэтому эффективность диссоциации экситонов намного выше в системах со смешанными фазами.<ref>{{Cite web |url=http://ko.com.ua/orientaciya_molekul_opredelyaet_jeffektivnost_organicheskih_solnechnyh_batarej_104682 |title=Ориентация молекул определяет эффективность органических солнечных батарей |lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2017-07-05 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170705082210/http://ko.com.ua/orientaciya_molekul_opredelyaet_jeffektivnost_organicheskih_solnechnyh_batarej_104682 |deadlink=no }}</ref> Качество границ двух фаз, так называемого интерфейса, во многом определяет эффективность батареи, в особенности [[сила тока|силу генерируемого тока]]. При диссоциации экситона, электрон переходит на акцептор, а дырка остается в фазе донора.

=== Комплекс переноса заряда ===
Однако, после диссоциации дырка и электрон не являются отдельными зарядами. Они пребывают на границе раздела фаз в связанном состоянии в виде так называемого переходного комплекса или комплекса переноса заряда ([[Английский язык|англ]]. charge transfer complex), состоящий из электрона и дырки, все ещё связанных между собой, но с меньшей энергией, чем в экситоне.<ref>[http://ac.els-cdn.com/S0079670013000427/1-s2.0-S0079670013000427-main.pdf?_tid=bb490996-5a56-11e5-b6dc-00000aab0f02&acdnat=1442176606_1d69d82f9dbbffd33cfa1705ab08fce5|Scharber, M. C.; Sariciftci, N. S. Prog. Polym. Sci. 2013, 38 (12), 1929–1940. Open Access]{{Недоступная ссылка|date=Февраль 2020 |bot=InternetArchiveBot }}</ref> Такой комплекс может или разделиться окончательно под действием внутреннего поля (определяемого разницей в энергетических уровнях донора и акцептора) или же [[Рекомбинация (физика полупроводников)|рекомбинировать]] (объединиться в электрон на основном уровне без выделения энергии путём [[Электромагнитное излучение|излучения]]).<ref>{{Cite web |url=http://dssp.petrsu.ru/p/tutorial/ftt/Part11/part11.3.htm |title=11.3. Генерация и рекомбинация в полупроводниках и диэлектриках |lang=ru|accessdate=2015-09-13 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20151126232011/http://dssp.petrsu.ru/p/tutorial/ftt/Part11/part11.3.htm |archivedate=2015-11-26 |deadlink=yes }}</ref> Подобная рекомбинация называется сдвоенной (geminate), потому что оба рекомбинирующих партнёра имеют общее происхождение (из одного и того же экситона).

=== Транспорт электронов ===
Если же электрону и дырке удалось разделиться, то они перемещаются до [[электрод]]ов, где [[экстракция электронов|экстрагируются]] соответствующими электродами. Электрон перемещается по фазе акцептора до [[катод]]а, а дырка – по фазе донора до [[анод]]а. Если на своём пути отдельные заряды встречают противоположный заряд, который не попал к электроду по каким-то причинам, то они также рекомбинируют.<ref>{{Cite web |url=http://femto.com.ua/articles/part_1/0718.html |title=Генерация носителей заряда.|lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2016-03-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160311030849/http://femto.com.ua/articles/part_1/0718.html |deadlink=no }}</ref> Такая [[Рекомбинация (физика полупроводников)|рекомбинация]] называется не-сдвоенная, потому что рекомбинирующие электрон и дырка имеют различное происхождения (из разных экситонов). Рекомбинация зарядов является одним из факторов, ограничивающих эффективность солнечных батарей, так как рекомбинированные заряды не могут быть экстрагированы.<ref>{{Cite web |url=http://foez.narod.ru/16.htm|title=Процессы рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводниках|lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2016-03-04 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160304135243/http://foez.narod.ru/16.htm |deadlink=no }}</ref>
Поскольку для успешного транспорта зарядов каждая фаза должна быть непрерывной во всем фотоактивном слое, чтобы заряд беспрепятственно добрался до электродов, наилучшая экстракция наблюдается в батареях, где слой акцептора нанесен на слой донора без перемешивания. Однако для диссоциации экситонов такой подход неэффективен из-за маленькой границы раздела фаз.

Так, оптимальная морфология фотоактивного слоя представляет собой компромисс между транспортом электронов и диссоциацией экситонов на границе фаз. Оптимальная морфология слоя зависит от большого числа факторов: химической структуры донора и акцептора, их термических свойств, температуры и растворителя, а также метода получения слоя.<ref>{{Cite web |url=http://www.nafigate.com/ru/section/portal/app/news/detail/70376 |title=Более эффективные солнечные батареи |lang=ru |accessdate=2015-09-13 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160304140319/http://www.nafigate.com/ru/section/portal/app/news/detail/70376 |archivedate=2016-03-04 |deadlink=yes }}</ref><ref>{{Cite web |url=http://econet.ru/articles/63106-organicheskie-solnechnye-batarei |title=Органические солнечные батареи|lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2016-07-20 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160720140450/http://econet.ru/articles/63106-organicheskie-solnechnye-batarei |deadlink=no }}</ref><ref>{{Cite web |url=http://worldofmaterials.ru/172-raskryt-sekret-povysheniya-effektivnosti-solnechnykh-elementov |title=Раскрыт секрет повышения эффективности солнечных элементов|lang=ru|access-date=2015-09-13 |archive-date=2016-06-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160611112924/http://worldofmaterials.ru/172-raskryt-sekret-povysheniya-effektivnosti-solnechnykh-elementov |deadlink=no }}</ref>


== Сравнение с кремниевыми батареями ==
== Сравнение с кремниевыми батареями ==
В сравнении с устройствами, основанными на кремниевой технологии, полимерные солнечные батареи легки (что важно для автономных датчиков малых размеров), доступны, недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду, однако энергетический выход едва достигает одной четверти обычных кремниевых солнечных батарей.<ref>[http://electrik.info/main/news/416-polimernye-solnechnye-batarei.html Полимерные солнечные батареи]</ref><ref>[http://altenergiya.ru/sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html#h2_2 Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей]</ref> Полимерные солнечные батареи также страдают значительным эффектом деградации: их эффективность снижается под воздействием окружающей среды. Хорошие защитные покрытия до сих пор не разработаны.
В сравнении с устройствами, основанными на кремниевой технологии, полимерные солнечные батареи легки (что важно для автономных датчиков малых размеров), доступны, недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду, однако энергетический выход едва достигает одной четверти обычных кремниевых солнечных батарей.<ref>[electrik.info/main/news/416-polimernye-solnechnye-batarei.html Полимерные солнечные батареи]</ref><ref>{{Cite web |url=http://altenergiya.ru/sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html#h2_2 |title=Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей |lang=ru|access-date=2015-09-10 |archive-date=2015-10-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151002032015/http://altenergiya.ru/sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html#h2_2 |deadlink=no }}</ref> Полимерные солнечные батареи также страдают значительным эффектом деградации: их эффективность снижается под воздействием окружающей среды. Хорошие защитные покрытия до сих пор не разработаны.


Открытым вопросом остаётся степень коммерческой конкуренции с кремниевыми солнечными батареями. Несмотря на то, что полимерные ячейки относительно дёшевы в производстве, индустрия кремниевых солнечных батарей имеет важное промышленное преимущество, будучи способной использовать кремниевую инфраструктуру, развитую для компьютерной индустрии. Однако, производители солнечных батарей находятся в невыгодном положении, поскольку вынуждены конкурировать с более крупной компьютерной индустрией в снабжении высококачественным кремнием.
Открытым вопросом остаётся степень коммерческой конкуренции с кремниевыми солнечными батареями. Несмотря на то, что полимерные ячейки относительно дёшевы в производстве, индустрия кремниевых солнечных батарей имеет важное промышленное преимущество, будучи способной использовать кремниевую инфраструктуру, развитую для компьютерной индустрии. Однако, производители солнечных батарей находятся в невыгодном положении, поскольку вынуждены конкурировать с более крупной компьютерной индустрией в снабжении высококачественным кремнием.
Строка 32: Строка 58:
== Ссылки ==
== Ссылки ==
{{reflist}}
{{reflist}}
*[http://postnauka.ru/video/12085 Органические солнечные батареи (видео)]
*[http://postnauka.ru/video/12085 Органические солнечные батареи (видео)] {{Wayback|url=http://postnauka.ru/video/12085 |date=20150814010144 }}
*
*


⚫
[[Категория:Солнечные батареи]]


{{спам-ссылки|1=
⚫
[[Категория:Солнечная энергия]]
* electrik.info
}}

Текущая версия от 18:59, 4 июля 2024

Полимерные солнечные батареи — разновидность солнечных батарей, которые производят электричество из солнечного света. Берёт своё начало с 1992 года, когда впервые были опубликованы данные о переносе заряда с полупроводникового полимера на акцептор.[1] Относительно новая технология, активно исследуемая в университетах, национальных лабораториях и нескольких компаниях по всему миру. Демонстрируются устройства-прототипы с эффективностью конверсии энергии 17,4 %.[2]

Функциональный прототип производства Beletric OPV

Устройство полимерной солнечной батареи

[править | править код]

Полимерные солнечные батареи обычно представляют собой послойно наложенные друг на друга тонкие плёнки из полимерных материалов, выполняющие различные функции.[3] В зависимости от субстрата, толщина одной батареи может быть от 500 нанометров.[4] Так, на прозрачную полимерную основу (субстрат), покрытую проводящим слоем оксида индия-олова, служащую электродом, наносят фотоактивный слой, состоящий из электрон-акцептора и электрон-донора.[5]

Есть два типа фотоактивных слоев:

Поверх фотоактивного слоя располагается металлический электрод, кальциевый, алюминиевый или серебряный, в зависимости от архитектуры батареи. В современных образцах между фотоактивных слоем и электродами помещают дополнительные слои: электрон-проводящие или дырко-проводящие, или соответственно электрон-блокирующие и дырко-блокирующие. Расположение этих слоев относительно фотоактивного слоя определяется архитектурой батареи.[8]

Архитектура батареи бывает двух типов: прямая (стандартная) или обратная (перевернутая). В перевернутой, как следует из названия, электрические заряды экстрагируются противоположными электродами. Так, исследования показали, что у батарей стандартной архитектуры эффективность выше, чем у перевернутых, однако стабильность ниже.

Полимерная солнечная батарея стандартной архитектуры

Низкая стабильность обусловлена тем фактом, что в стандартных батареях в качестве электрода используется кальций, который быстро окисляется на воздухе до кальция оксида, который имеет худшую проводимость. В свою очередь, обратная архитектура позволяет использовать в качестве электродов серебро и золото, более устойчивые к окислению.[9]

Для улучшения экстракции электронов в перевернутых батареях часто используют прозрачные проводящие оксиды, такие как титана оксид и цинка оксид, часто в виде наночастиц или наноструктурированных плёнок. В последнее время больше внимания уделяется исследованиям других слоев, способных улучшать экстракцию электронов, в том числе полимерных.

Для улучшения экстракции дырок применяются прозрачные проводящие полимеры, например смесь поли(3,4-этилендиокситиофена) и полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) или другие проводящие оксиды с более подходящими для этого электронными уровнями, такие как ванадия оксид, молибдена оксид. В последнее время все больший интерес вызывают полупроводники на основе графена и графена оксида.

Физические процессы в полимерных батареях

[править | править код]

Поглощение света

[править | править код]

В полимерных солнечных батареях фотоактивный слой состоит из двух типов материалов: донора и акцептора. При попадании света на поверхность батареи, донор (обычно сопряжённый полимер) поглощает фотон света. Длина волны (т.е. энергия) этого фотона зависит напрямую от химической структуры донора и его организации в плёнке слоя (например, кристалличности). Поглощённая энергия фотона возбуждает электрон из основного состояния в возбуждённое состояние, или из верхней занятой молекулярной орбитали (англ. HOMO) до низшей свободной молекулярной орбитали (англ. LUMO).[10]

Экситон

[править | править код]

Полученная в результате такого возбуждения квазичастица называется экситон Френкеля и состоит из дырки (то есть отсутствия электрона, положительного заряда) и возбуждённого электрона (отрицательного заряда).[11] Экситон не имеет заряда и не может служить носителем, однако может перемещаться по сопряжённой системе донора. В зависимости от спинового состояния экситоны могут быть синглетными и триплетными. Срок жизни синглетного экситона составляет наносекунды, а триплетного около миллисекунды или больше. При определённых условиях синглетный экситон может перейти в триплет.[12]

Экситон перемещается в системе донора не далее 5-20 нм, в зависимости от вида полимера. Далее он имеет две возможности:

  • Диссоциировать и разделиться на отдельные положительный и отрицательный заряды, если экситон встретит на своём пути акцептор;
  • Распасться с излучением поглощённой энергии (путём фосфоресценции или люминесценции, в зависимости от типа экситона), если ближайшая молекула донора расположена за пределами возможной длины перемещения экситона.

Для полимерных солнечных батарей последний путь представляет собой потерю эффективности: важны только экситоны, которые могут диссоциировать. Энергия сопряжения дырки и электрона в экситоне в полимерных системах очень высока, около 0,5-1 эВ и поэтому при комнатной температуре термодинамической составляющей недостаточно, чтобы разделить экситон на заряды.[13] Поэтому для разделения экситона важны два аспекта: отсутствие порядка в системе (англ. disorder) и присутствие второго компонента, акцептора.

Низшая свободная молекулярная орбиталь акцептора должна иметь меньшую энергию, чтобы инициировать диссоциацию экситона и облегчить переход электрона на молекулы акцептора. Так, диссоциация экситона происходит на границе двух фаз: донора и акцептора, поэтому эффективность диссоциации экситонов намного выше в системах со смешанными фазами.[14] Качество границ двух фаз, так называемого интерфейса, во многом определяет эффективность батареи, в особенности силу генерируемого тока. При диссоциации экситона, электрон переходит на акцептор, а дырка остается в фазе донора.

Комплекс переноса заряда

[править | править код]

Однако, после диссоциации дырка и электрон не являются отдельными зарядами. Они пребывают на границе раздела фаз в связанном состоянии в виде так называемого переходного комплекса или комплекса переноса заряда (англ. charge transfer complex), состоящий из электрона и дырки, все ещё связанных между собой, но с меньшей энергией, чем в экситоне.[15] Такой комплекс может или разделиться окончательно под действием внутреннего поля (определяемого разницей в энергетических уровнях донора и акцептора) или же рекомбинировать (объединиться в электрон на основном уровне без выделения энергии путём излучения).[16] Подобная рекомбинация называется сдвоенной (geminate), потому что оба рекомбинирующих партнёра имеют общее происхождение (из одного и того же экситона).

Транспорт электронов

[править | править код]

Если же электрону и дырке удалось разделиться, то они перемещаются до электродов, где экстрагируются соответствующими электродами. Электрон перемещается по фазе акцептора до катода, а дырка – по фазе донора до анода. Если на своём пути отдельные заряды встречают противоположный заряд, который не попал к электроду по каким-то причинам, то они также рекомбинируют.[17] Такая рекомбинация называется не-сдвоенная, потому что рекомбинирующие электрон и дырка имеют различное происхождения (из разных экситонов). Рекомбинация зарядов является одним из факторов, ограничивающих эффективность солнечных батарей, так как рекомбинированные заряды не могут быть экстрагированы.[18]

Поскольку для успешного транспорта зарядов каждая фаза должна быть непрерывной во всем фотоактивном слое, чтобы заряд беспрепятственно добрался до электродов, наилучшая экстракция наблюдается в батареях, где слой акцептора нанесен на слой донора без перемешивания. Однако для диссоциации экситонов такой подход неэффективен из-за маленькой границы раздела фаз.

Так, оптимальная морфология фотоактивного слоя представляет собой компромисс между транспортом электронов и диссоциацией экситонов на границе фаз. Оптимальная морфология слоя зависит от большого числа факторов: химической структуры донора и акцептора, их термических свойств, температуры и растворителя, а также метода получения слоя.[19][20][21]

Сравнение с кремниевыми батареями

[править | править код]

В сравнении с устройствами, основанными на кремниевой технологии, полимерные солнечные батареи легки (что важно для автономных датчиков малых размеров), доступны, недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду, однако энергетический выход едва достигает одной четверти обычных кремниевых солнечных батарей.[22][23] Полимерные солнечные батареи также страдают значительным эффектом деградации: их эффективность снижается под воздействием окружающей среды. Хорошие защитные покрытия до сих пор не разработаны.

Открытым вопросом остаётся степень коммерческой конкуренции с кремниевыми солнечными батареями. Несмотря на то, что полимерные ячейки относительно дёшевы в производстве, индустрия кремниевых солнечных батарей имеет важное промышленное преимущество, будучи способной использовать кремниевую инфраструктуру, развитую для компьютерной индустрии. Однако, производители солнечных батарей находятся в невыгодном положении, поскольку вынуждены конкурировать с более крупной компьютерной индустрией в снабжении высококачественным кремнием.

Эффективность остаётся проблемой для этого типа технологии. Традиционные кремниевые батареи достигают эффективности 20 % и более. Наивысшая эффективность достигнута для солнечных батарей, используемых для питания космических спутников. Такие батареи демонстрируют эффективность до 40 %, что, соответственно, в два раза выше, чем имеют «наземные» батареи.

Другие солнечные батареи третьего поколения

[править | править код]

См. также

[править | править код]

Ссылки

[править | править код]
  1. ↑ N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger,F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene, Science 258, (1992) 1474
  2. ↑ Best Research-Cell Efficiencies (англ.). Дата обращения: 16 ноября 2019. Архивировано из оригинала 16 ноября 2019 года.
  3. ↑ Polymer-Solar-Cells (англ.). Дата обращения: 10 сентября 2015. Архивировано из оригинала 19 сентября 2015 года.
  4. ↑ Scientists develop ultra-thin solar cells (англ.). Дата обращения: 10 сентября 2015. Архивировано 24 апреля 2015 года.
  5. ↑ The layer stack (англ.). Дата обращения: 10 сентября 2015. Архивировано 20 сентября 2015 года.
  6. ↑ Yu, G.; Pakbaz, K.; Heeger, A. J. Appl. Phys. Lett. 1994, 64 (25), 3422–3424.
  7. ↑ Мир современных материалов - Перспективная альтернатива: полимерные солнечные батареи. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 11 июня 2016 года.
  8. ↑ Litzov I., Brabec C.Development of Efficient and Stable Inverted Bulk Heterojunction (BHJ) Solar Cells Using Different Metal Oxide Interfaces. Materials 2013, 6, 5796-5820
  9. ↑ Electrodes (англ.). Дата обращения: 10 сентября 2015. Архивировано 20 сентября 2015 года.
  10. ↑ How do polymer solar cells work (англ.). Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 20 сентября 2015 года.
  11. ↑ Улавливание лучей: органические солнечные батареи делают прыжок вперед. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 9 июля 2014 года.
  12. ↑ Энергию можно передавать с помощью триплетных экситонов
  13. ↑ Экситон. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 30 марта 2015 года.
  14. ↑ Ориентация молекул определяет эффективность органических солнечных батарей. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 5 июля 2017 года.
  15. ↑ M. C.; Sariciftci, N. S. Prog. Polym. Sci. 2013, 38 (12), 1929–1940. Open Access (недоступная ссылка)
  16. ↑ 11.3. Генерация и рекомбинация в полупроводниках и диэлектриках. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано из оригинала 26 ноября 2015 года.
  17. ↑ Генерация носителей заряда. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 11 марта 2016 года.
  18. ↑ Процессы рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводниках. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  19. ↑ Более эффективные солнечные батареи. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года.
  20. ↑ Органические солнечные батареи. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 20 июля 2016 года.
  21. ↑ Раскрыт секрет повышения эффективности солнечных элементов. Дата обращения: 13 сентября 2015. Архивировано 11 июня 2016 года.
  22. ↑ [electrik.info/main/news/416-polimernye-solnechnye-batarei.html Полимерные солнечные батареи]
  23. ↑ Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей. Дата обращения: 10 сентября 2015. Архивировано 2 октября 2015 года.
Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Полимерные_солнечные_батареи&oldid=138728962