Усиление боковых солнечных элементов

Новый подход к дизайну и специализированный органический материал помогают повысить эффективность боковых солнечных элементов, переворачивая выработку энергии на свою сторону.

Солнечная энергия считается одним из ведущих источников дешевого и Возобновляемая энергияа также важным инструментом, помогающим смягчить разворачивающийся климатический кризис. Самый распространенный способ преобразования солнечной энергии в электрическую – это солнечные батареи, которые генерируют электрический ток при воздействии солнечного света. Поэтому разработка дешевых, надежных и эффективных солнечных элементов имеет первостепенное значение для перехода от ископаемого топлива к этой чистой форме энергии.

Обычные солнечные элементы обычно изготавливаются с использованием различных полупроводников, материалов, предназначенных для управления и контроля потока электрического тока в электронных устройствах. Органические полупроводники, материалы, состоящие в основном из атомов углерода, настолько популярны в этой области, что они распространены в природе, доступны для обработки в промышленных масштабах, а последующие солнечные элементы, изготовленные с их использованием, гибки и прозрачны.

Однако загвоздка в том, что их эффективность, особенно скорость преобразования поступающего солнечного света в полезную энергию, ограничена. Кроме того, большинство органических молекул могут генерировать электричество только при воздействии света с определенной длиной волны, а это означает, что для использования всего солнечного спектра, который включает в себя инфракрасное и ультрафиолетовое излучение в дополнение к видимому свету, органические солнечные элементы обычно строятся с использованием большого количество различных пленок, каждая из которых чувствительна к части спектра солнечного излучения.

«Обычные органические фотоэлектрические элементы имеют сэндвич-структуру, то есть органические пленки, генерирующие ток под действием солнечного света, вертикально зажаты между парой электродов», — пояснил Масахиро Хирамото, профессор Национального института естественных наук и Университета перспективных исследований. в Японии. «А именно, на стеклянную подложку последовательно в вертикальном направлении осаждаются прозрачный электрод, органические пленки и противоэлектрод. Таким образом, ток, генерируемый светом, течет в вертикальном направлении по отношению к поверхности подложки».

Поскольку разные органические полупроводники по-разному реагируют на солнечный свет, это оказывает негативное влияние на конструкцию и размер «сэндвича», из которого состоит то, что называется тандемным солнечным элементом.

«В случае обычных вертикальных органических элементов существует строгое ограничение на комбинацию нескольких материалов, поскольку величина тока, генерируемого каждым из различных органических слоев, должна быть одинаковой», — сказал Хирамото. «Это серьезное ограничение для изготовления тандемных ячеек».

Боковой подход

Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи разработали новый тип солнечного элемента с другим расположением электродов по отношению к сэндвичу из пленки, устраняя любые ограничения на ток, протекающий через каждую пленку. Этот новый дизайн был назван боковым солнечным элементом, поскольку теперь ток течет горизонтально, а не вертикально.

«Боковые органические фотоэлементы имеют пару электродов, которые наносятся на правый и левый края органической пленки», — пояснил Хирамото. «Итак, ток, генерируемый светом в органической пленке, течет в боковом направлении по отношению к поверхности подложки. Это означает, что бесконечное количество органических слоев может быть свободно уложено без ограничений с целью использования всего солнечного спектра. Это мечта ученых, занимающихся солнечными батареями».

Хотя такое расположение электродов допускает разный ток в каждой пленке, у него все же есть некоторые недостатки, которые команда устранила в их изучение опубликовано в физика твердого тела. Обычно толщина пленки составляет порядка нанометров при длине в несколько миллиметров (иногда сантиметров). Следовательно, электронам, приводимым в движение падающим светом, приходится преодолевать гораздо большее расстояние, чтобы достичь электродов в латеральных солнечных элементах, чем в обычных вертикальных.

Эта разница в расстоянии делает ячейку более чувствительной к концентрации электронов и к такому свойству материала, как подвижность электронов или скорость их движения через пленку.

«Возможное расстояние протекания тока в органических пленках ограничено несколькими сотнями нанометров из-за их низкой подвижности», — добавил Хирамото. «Поэтому мы могли изготавливать только вертикальные ячейки, так как расстояние протекания тока равно толщине пленки (расстоянию между двумя электродами), то есть меньше 1 микрометра. Однако, поскольку недавно были разработаны органические материалы, обладающие очень высокой подвижностью, возможное расстояние протекания тока в органических пленках увеличилось до миллиметрового порядка. Таким образом, теперь стало проще изготовить боковой органический солнечный элемент».

Допинг для повышения эффективности

Чтобы улучшить существующую конструкцию боковых солнечных элементов, Хирамото и его коллеги преднамеренно добавили примеси в органические материалы. Этот процесс называется легированием. Взаимодействие между полупроводником и преднамеренными примесями приводит к увеличению количества свободных электронов, которые можно использовать для генерации электрического тока.

Ученые работали с сэндвичем, состоящим из двух пленок органических полупроводников толщиной 100 нанометров, известных как C8-BTBT и PTCDI-C8. Первый был легирован молекулами F₄TCNQ, а последний с Cs₂СО₃которые являются хорошими донорами электронов.

«Легирование, то есть добавление небольшого количества примесей, которые отдают или принимают электроны от органических слоев, приводит к образованию богатых и бедных электронами органических слоев, — объяснил Хирамото. солнечная батарея улучшена».

Исследователи экспериментировали с количеством примесей, добавляемых в органические пленки, и изучали их влияние на генерацию тока. В результате они нашли оптимальные уровни легирования, которые почти удвоили электрический ток, генерируемый падающим светом в их боковых солнечных элементах.

Солнечные элементы для проверки концепции были размером всего в доли миллиметра, и требуется дополнительная работа, прежде чем их можно будет увеличить и применить на практике. Однако ученые говорят, что надеются, что достижения в области материаловедения сделают это возможным в ближайшие годы.

«Прогресс в области органических [compounds] такой быстрый, — сказал Хирамото. «Много высокоподвижных органических [materials], который позволяет течению выше расстояния порядка сантиметра, будет разработан в течение 10 лет. После этого новый органический солнечный элемент можно будет использовать на практике».

Источник: Джасила Палассери Итиккал, Сейитиро Идзава, Масахиро Хирамото, Легированные боковые органические фотоэлектрические элементыФизическое состояние твердое (2023), DOI: 10.1002/pssa.202300108

Автор изображения: PublicDomainPictures на Pixabay