Вчені створили безпечнішу, високоефективну повністю органічну сонячну батарею, використовуючи новий електрод та техніку ламінування, досягнувши 8,7% перетворення енергії, що більш ніж удвічі перевищує показники попередніх моделей. Оскільки глобальні ініціативи щодо пом’якшення наслідків зміни клімату прискорюються, попит на сонячну енергію продовжує зростати. Однак звичайні сонячні панелі на основі кремнію, які наразі домінують на ринку, містять різноманітні небезпечні речовини. Ці матеріали створюють значні екологічні проблеми, коли панелі досягають кінця свого життєвого циклу, оскільки їх утилізація або переробка пов’язані з високими витратами та екологічними ризиками.
Аналогічні занепокоєння стосуються нових плівкових сонячних технологій, таких як перовскітні сонячні елементи. Хоча ці елементи наступного покоління є перспективними за своєю продуктивністю, вони також містять потенційно токсичні компоненти, включаючи сполуки свинцю та оксиди металів, що викликає додаткові занепокоєння щодо довгострокової стійкості та безпечної утилізації.
Щоб вирішити ці проблеми, дослідники розробляють плівкові сонячні елементи, виготовлені повністю з вуглецевих органічних матеріалів, відомих як повністю органічні сонячні елементи. На відміну від своїх металовмісних аналогів, ці органічні елементи не містять токсичних важких металів і їх можна безпечно спалювати, як стандартний пластик. Це робить їх набагато екологічнішим варіантом як з точки зору утилізації, так і вартості життєвого циклу.
Незважаючи на свої екологічні переваги, повністю органічні сонячні елементи наразі мають низьку ефективність перетворення енергії (PCE), яка сягає лише близько 4%, що значно нижче, ніж ефективність кремнієвих сонячних елементів >27% та >26%, якої досягають вдосконалені перовскітні елементи. Як наслідок, наукова спільнота прагне вдосконалити технологію та покращити продуктивність повністю органічних сонячних елементів, щоб зробити їх життєздатною альтернативою в ландшафті відновлюваної енергетики.
Прорив у підвищенні ефективності повністю органічних сонячних елементів
Масахіро Накано, доцент Інституту науки та техніки хімічного факультету Університету Каназава, співпрацював із вченими з REIKO Co., Ltd. (президент Джунічі Івай) та Королівського університету в Кінгстоні, Канада, і тепер успішно розробив повністю органічні сонячні елементи з найвищою у світі ефективністю. Хоча продуктивність попередніх повністю органічних сонячних елементів обмежувалася приблизно 4% PCE, нещодавно розроблені елементи досягають більш ніж удвічі більшої ефективності, ніж попередні.
Вирішення проблеми прозорих електродів
Раніше дві основні проблеми перешкоджали роботі повністю органічних сонячних елементів. По-перше, доступність високопровідних органічних прозорих електродних матеріалів, придатних для плівкових сонячних елементів, обмежена. Повідомлялося про деякі високопровідні органічні матеріали, але їх приготування вимагало сильних кислот, лугів або високотемпературного відпалу (>150°C), що могло пошкодити плівки органічної підкладки та органічні напівпровідникові шари.
Щоб подолати це, дослідницька група розробила прозорий електрод на основі провідного полімеру PEDOT:PSS. Електрод на основі PEDOT:PSS можна виготовляти за нижчої температури (80°C) без використання кислот або лугів, і він демонструє достатню провідність (опір шару: <70 Ом/кв. см.) для плівкових сонячних елементів.
Друга проблема полягає в укладанні кількох шарів у плівковому сонячному елементі без пошкодження нижніх шарів. У процесах на основі розчинів чорнило, що використовується для верхніх шарів, може пошкодити нижні. Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробили метод ламінування з використанням вуглецевого нанотрубного електрода, який дозволяє додавати шари без порушення цілісності нижніх.
Ця техніка передбачає окреме формування електродів на бар’єрних плівках сонячних елементів, а потім їх прикріплення до пристрою, що дозволяє уникнути пошкодження нижніх органічних плівок під час виготовлення електродів. Поєднуючи новий прозорий органічний електрод та метод виготовлення, дослідницька група успішно розробила повністю органічні сонячні елементи з більш ніж удвічі більшою ефективністю перетворення енергії (8,7%), ніж у попередніх моделей (4,0%). Цей прогрес є вирішальним кроком до практичного застосування високопродуктивних повністю органічних сонячних елементів.
Майбутні програми та цілі покращення продуктивності
Заглядаючи в майбутнє, повністю органічні сонячні елементи мають великий потенціал для застосування в екологічно чутливих районах, таких як сільськогосподарські угіддя та портативні пристрої. Їхня легка та гнучка природна природна особливість також дозволяє встановлювати їх у місцях, де звичайні сонячні панелі були б непрактичними. Дослідницька група прагне ще більше підвищити продуктивність, покращивши провідність органічних електродів.