Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 2



    В первой части сего длительного повествования было показано, что побороть кристаллического кремниевого монстра фотовольтаики будет очень не просто, в особенности, органическими молекулами, но так ли это на самом деле? Что есть такого в третьем поколении солнечных элементов, чего нет у предыдущих двух?!



    Конечно, сейчас сложно говорить о каких-то конкретных цифрах, потому что сам рынок ещё формируется: спрос и предложение не уравновешено, технологии только-только перебираются из лабораторий на экспериментальные заводские площадки. Однако, как мы увидели на примере кристаллического кремния, в такой период времени очень сложно говорить о будущем технологии (помните, что цена на поликристаллические солнечные элементы упала в 3 раза за 7 лет?!).

    А по сему, я постараюсь описать в большей степени не экономику производства и эксплуатации DSSC или органических солнечных батарей (ведь опять начнутся разговоры про EROI), а то, какой потенциал в них заложен и какие технологии применяются, чтобы сделать цену конечных устройств настолько малой, насколько это вообще возможно.

    3-е поколение: будущее уже здесь!


    Пожалуй, начнём мы по традиции, с некоторого ретроспективного анализа эффективности солнечных элементов, подготовленного NREL – The National Renewable Energy Laboratory.


    Ретроспективный анализ наилучших показатели эффективности солнечных элементов всех известных типов

    На графике приведен целый класс “emerging PV”, т.е. те самая группа альтернативных методов, которые, как упоминалось в первой статье, могут выстрелить в любой момент. Но начнём по порядку.

    Roll-to-Roll process или напечатай меня как газету

    Пожалуй, одной из наиболее значимых характеристик третьего поколения солнечных элементов является то, что их можно печатать.

    Стоит пояснить. Для двух предыдущих поколений солнечных элементов, чтобы получить работающую панель необходимо создать, так или иначе, p-n-переход (за пояснениями смело сюда), а это значит, что необходимо высоковакуумное оборудование, герметичность производственной линии и так далее по списку – всё как во взрослой жизни. При этом пластина едет по конвейеру от одного конца до другого, прирастая p-n-переходами и контактами. Есть ещё и проблема совмещения (или алаймента) масок, используемых для травления и создания 3D структуры (фактически, как в процессорах, только техпроцесс не нанометры, а микрометры и миллиметры). И как бы было хорошо всё это безобразие заменить на что-нибудь попроще…

    О чудо, такой процесс уже используется десятилетиями для печати полиграфической продукции. С небольшими модификациями мы могли бы заменить чернила на какие-нибудь фотоактивные органические молекулы – полупроводники и проводники – а рисунок на барабане разбить на соответствующие отдельным фотоэлементам площадки. И, вуаля, штампуй – не хочу!

    При этом можно существенно уменьшить как вес таких элементов, так и количество используемых материалов, ведь в кремниевой батарее кремний является и подложкой и активным компонентом, а сделать подложку бесконечно тонкой невозможно, она обязана обладать хоть каким-то минимальным набором механических характеристик.

    Как же это работает на практике?! В том же KIT есть не так называемый «центр трансфера технологий», а совершенно настоящий и работающий, в котором осуществляются:
    а) исследования, направленные на улучшение характеристик батарей, при этом существует прямая обратная связь с учёными и инженерами, разрабатывающими технологии;
    б) участок прототипирования, который отрабатывает принципиальную масштабируемость технологии;
    в) уже полупромышленный участок, где за пару минут можно сделать погонные метры и сотни метров солнечных элементов.


    Структура трансфера технологий из лаборатории на производство. KIT и TU Darmstadt совместно с BASF, Merck

    Заметьте, центр не просто при двух университетах, но в нём активно участвуют производители, которые, возможно, раньше или позже запустят эти разработки на своём производстве.

    Публика, мне кажется, подустала чуть-чуть, поэтому видео работы упомянутой лаборатории в живую на YouTube:



    И одной из наиболее значимых областей применения данного процесса является как раз органическая фотовольтаика.

    Органическая фотовольтаика

    Как бы ни смешно это прозвучало, но в мире органической химии царит своя атмосфера безудержного веселья. Например, среди органических молекул можно найти изоляторы, проводники, полупроводники и – даже страшно подумать – сверхпроводники. Некоторое время назад вообще считали, что органические материалы вытеснят всё, в том числе и бетон, и арматуру, и машины будут из карбона…но не сложилось…

    Как мог бы выглядеть органически фотоэлемент?! И каковая может быть его толщина?
    Например, если хотите, то толщиной в 1 микрометр (в 50 раз тоньше человеческого волоса!):


    Устройство отдельного органического солнечного элемента и материалы, используемые для его создания

    Обычно требуется, чтобы акцептор электронов (absorber) и молекулы донора (hole conductor) взаимно проникали друг в друга, формируя так называемый объёмный гетеропереход (bulk heterojunction). Так как реакция разделения электрон-дырочной пары происходит на поверхности, то за счёт взаимного проникновения двух фаз одна в другую и увеличивается эффективная площадь контакта (показано на картинке справа), а это в свою очередь соответствует максимальной эффективности такой батареи.

    Подложка не обязательно должна быть стеклянной: и катод и анод могут быть выполнены по любой доступной технологи, в том числе и на основе проводящих полимеров, что позволяет в полной мере реализовать преимущества roll-to-roll process.

    Да, к глубокому сожалению, должен констатировать, что эффективность у данных батарей не велика до 7-8%, но это всё из-за того, что представленные выше молекулярные мотивы не поглощают во всём диапазоне длин волн от УФ (ультрафиолетового, 300-400 нм) до ИК (инфракрасного 800-1000 нм).

    С одной стороны это является проблемой, необходимо придумывать более хитрые схемы с двумя совмещёнными батареями, так называемые тандемные солнечные элементы (tandem solar batteries), либо просто сделать батарею полупрозрачной и наклеить на окно.

    В случае с тандемными солнечными элементами мы просто имеем два последовательно подключённых солнечных элемента, которые поглощают в двух разных диапазонах, например, зелёном и красном. За счёт этого фактически удваивается эффективность, потому что больше фотонов превращается в ЭДС и ток. Однако главная проблема в данном случае – промежуточный слой, необходимый для комбинирования избыточных зарядов. Понятно, что если слой будет накапливать заряд, то из-за внутренних потерь это снизит эффективность.


    Принцип работы тандемной солнечной батареи: два последовательно соединённых органических солнечных элемента


    Пример спектра поглощения двух органических веществ, используемых при производстве тандемных солнечных элементов

    На этом моменте можно было бы углубиться в материаловедение, но я этого не буду делать, просто хочу сказать несколько слов в защиту высокоэффективных батарей и процесса их разработки, что это не пустая трата бюджетных средств. Нельзя просто так взять, намазать пасту ровным слоем на подложку, потом второй слой, третий, наклеить контакты и сказать, что готово, приговаривая: «Ладно, и так сойдёт!» (с) И не будем показывать пальцем, где этим любят позаниматься. Но за каждым процентом эффективности стоят патенты, специальные добавки, меняющие упаковку молекул таким образом, чтобы добиться наилучшего проникновения одного компаунда в другой. Для того, чтобы описать такие процессы, почему вещество А помогает, а вещество Б нет, крайне необходима фундаментальная наука со всеми её недостатками, пороками и установками, стоимостью в миллионы и миллиарды долларов.

    Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

    Солнечные батареи, сенсибилизированные или «активированные» красителем, известны миру достаточно давно. Однако лишь недавно, как уже упоминалось в предыдущей статье, они смогли успешно взять психологически важный барьер в 15% эффективности. На настоящее время это является абсолютным рекордом среди солнечных батарей данного класса. Принцип работы батарей детально представлен в указанной выше публикации, поэтому не будем на нём останавливаться.

    Обычно для производства DSSC необходима стеклянная подложка с токопроводящим покрытием, как то ITO (оксид олова, допированный индием) или FTO (оксид олова, допированный фтором), что отъедает существенную часть расходов на производство. Однако стоит справедливо заметить, что данные батареи потенциально могут быть адаптированы к печати посредством процесса roll-to-roll, о котором говорилось выше.

    И вновь хочется повториться, что область применения таких элементов питания не генерация МВт электроэнергии, а скорее эстетично-практичная, как и в случае с прозрачными органическими батареями – снижении общего энергопотребления, при сохранении высоких стандартов жизни. То есть наклеили батарею на окно, она вам за сутки АКБ зарядила, к примеру…

    Пока готовилась данная статья, неожиданно пришло известие с пометкой срочно в номер!


    Breaking News



    Строящийся сейчас конференц-центр EPFL (SwissTech) оснастят стеклянным фасадом на основе DSSC. Прозрачные разноцветные панели солнечных элементов Гратцеля в данный момент устанавливаются на западной стороне SwissTech центра, открытие которого запланировано на апрель 2014 года. Солнечными батареями, общее число которых составляет 1 400 штук при размерах 35 на 50 см, оснастят более 300 м2 фасада здания. Сами элементы выполнены в пяти оттенках красного, зелёного и оранжевого цветов, что, по мнению архитекторов и дизайнеров, создаёт тёплый и в то же время живой внешний вид.

    Стоит отметить, что проект такого рода – первый в мире. Солнечные элементы сконструированы таким образом, что не теряют эффективности при изменении угла падающего на них солнечного света, к тому же они не только позволяют вырабатывать электричество, но и защищать внутренние помещения от прямых солнечных лучей, что приведёт к снижению потребность в кондиционировании воздуха. Сообщается также, что не менее 11 фирм-производителей уже получили лицензию на производство солнечных батарей Гратцеля.



    И на последок, чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров компаний, которые работают в области альтернативных солнечных элементов:

    Konarka. Компания просуществовала с 2001 по 2012 года и занималась как DSSC, так и органическими солнечными батареями на основе фуллеренов. За время своего существования компания создала 350 патентов в рассматриваемой области, привлекла более 150 млн. $ частных инвестиций и 20 млн. $ государственных грантов на разработку и организацию производства. Были разработаны солнечные элементы с гарантированным сроком службы 3 года при зарегистрированной эффективности в 8%. К сожалению, в середине 2012 года компания объявила о банкротстве.

    Heliatek. Компания основана в 2006 году специализируется на органической фотовольтаике, но держится на плаву более успешно. В числе прочих достижений тандемные батареи с эффективностью 12% за счёт правильно подобранной геометрии:


    Слайд с сайта компании Heliatek

    И между прочим в ближайшие 4 года эффективность планируется увеличить до 16%:


    Слайд с сайта компании Heliatek

    Что же касается DSSC, то даже такие гиганты, как Sony и Samsung обращают своё внимание в сторону DSSC, при чём планируется, что массовый выпуск продукции позволит сократить до 1/3-1/5 стоимость модулей по сравнению с обычными кремниевыми батареями. В Соединённом Королевстве есть множество компаний, занимающихся данной тематикой (например), так что про умельцев из Поднебесной я вообще промолчу (например).

    Вместо заключения


    Вначале я хотел написать объёмное заключение, что «альтернативной» некремниевой фотовольтаике быть, что важны технологии, и как они связывают воедино разные области знаний, в конечном продукте, но…

    Безусловно, я согласен с BarsMonster, что главная проблема сегодняшней альтернативной энергетики (любой!!!, попрошу заметить) – хранение произведённой электроэнергии и, главное, стоимость такого хранения. Или иными словами непоястоянство данного источника. Это не АЭС, которыми в Бельгии дороги освещают даже днём. Однако мне кажется, что мы не вполне верно рассматриваем структуру энергопотребления с нашей сложившейся уже точки зрения, вот где кроется основной порок всех холиваров на данную тему. Необходимо изменить своё сознание и посмотреть на проблему абстрагированным взглядом.

    Но, как бы ни парадоксально и вычурно это звучало, мы живём в эпоху поистине великого перехода от века кремния, к веку углерода; и те тенденции, которые сейчас мы наблюдаем (графен, УНТ, органические светодиоды и органическая фотовольтаика) тому весомое доказательство. Пройдёт ещё совсем немного времени, и ни одно здание не будет спроектировано (по крайней мере, в ЕС, США, Японии) без солнечных панелей Гратцеля на окнах, способных ощутимо снизить и практически привести к нулю энергобаланс сооружений. Задняя панель iPhone или моей Xperia Z покроется 2 микронной органической батарей, которая будет подзаряжать телефон везде, где есть источник света, а электромобили вообще превратятся в одну большую передвигающуюся солнечную батарею. И я хотел бы оказаться в этом энергетическом раю, где энергия Солнца доступна всем и каждому…

    А Вы?!


    Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)

    Similar posts

    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 13

    • UFO just landed and posted this here
      • UFO just landed and posted this here
          0
          Согласен, такие вещи есть на рынке, но я имею ввиду уже встроенную, а не примочку.
          • UFO just landed and posted this here
              +1
              Гораздо эффективнее, когда лежит просто зарядная панель, накапливает заряд, а затем на нее помещаем свое устройство/гаджет и бесконтактно заряжаем его.
              Плюсов очень много:
              — панель может быть достаточно большой и относительно дешевой, можно не бояться за свой дорогой аппарат,
              — промежуточный накопитель может быть достаточно габаритным, да хоть суперконденсатор с небольшой объемной мощностью,
              — панель может очень долго накапливать заряд, а затем очень быстро его отдать,
              — панель может заряжать промежуточный накопитель днем, а отдавать заряд ночью, когда мы спим и освещения нет.
              • UFO just landed and posted this here
                  0
                  Площадь поверхности гаджета не может быть очень большой, значит зарядка даже на самом ярком солнце будет идти очень долго. А панель может быть хоть с квадратный метр и висеть на стене/окне, с кабелем до зарядной площадки. Плюс на панель можно положить любое другое устройство — экономия опять же, нет лишних расходов на лишние компоненты. Плюс сама панель может быть не такой износостойкой, как обратная часть смарта. Да и зарядка в итоге будет гораздо быстрее и полнее — все будет зависеть от возможностей зарядного устройства передавать большие токи.
                  • UFO just landed and posted this here
                      0
                      Мы просто говорим о разном. На данный момент задняя панель телефон не играет никакой роли, кроме, как средство попонтоваться цветом и брендом телефона, т.е. её споконой можно заменить на маломощную солнечную батарею, которая будет не заряжать, а именно «поджаряжать» АКБ при малых значения тока (ну С/5 или С/10). Такая зарядка не должна негативно сказываться на сроке службы АКБ, но будет приятным бонусом для пользователей.

                      На мой взгляд, проблема на сегодняшний день в «потребл… дстве», которое потворствует выпуску телефонов с пустой задней панелью исключительно в эстетических и маркетинговых целях.
                        0
                        Ток будет на с/5-с/10, а скорее с/50-с/150. Вы правда собираетесь подзаряжать на +5...10% емкости за 1-1,5 езды в авто? Ведь эта возможность будет не бесплатной. Не забывайте, что сегодня смартфон потребляет очень и очень прилично.

                        Чтобы не быть голословным:
                        iPhone 5s, габариты — 123,8х58,6. Площадь поверхности: 0.00725 м2 (72,54 см2)

                        При оптимальном положении (строго перпендикулярно к солнцу) в яркий солнечный день, на широте экватора составляет 1020 вт/м2
                        Соответственно, телефон сможет получить 1020х0.00725= 7.4 Вт в пределе при 100% КПД преобразования.
                        При современных технологиях, КПД солнечного элемента на задней стороне телефона составит 14-18%, т.е. этот солнечный элемент сможет
                        преобразовать и запасти уже всего 1.3Вт в поверхности солнечных элементов

                        Емкость батареи этого телефона 1570 мА*ч, напряжение питания — 3.8В. Т.е. Энергоемкость аккумулятора этой модели составляет 5.45 Вт/ч.
                        Соответственно, заряжать такое устройство в идеальных условиях на экваторе, строго перпендикулярно, под ярким солнцем потребутеся на протяжении 4-4,5 часов. С учетом солнечной активности у нас, это время увеличивайте в разы ( можете смело закладывать порядок). Все это время телефон должен быть ориентирован на солнце, не перегреться и не быть украден/потерян/поврежден.

                        Всеми этими проблемами в меньшей степени страдает панель:
                        — площадь может быть значительно больше
                        — из-за большей площади можно использовать менее дорогие фотоэлементы
                        — из-за меньших требований к стойкости к истиранию (панель ни кто в карман постоянно помещать и вынимать не будет), защитный слой
                        может быть значительно более простой и дешевый
                        — панель может обеспечивать зарядку сразу нескольких элементов
                        — панель может пережить несколько поколений гаджетов
                          +2
                          Со всем согласен, только Вт на часы делить не стоит…
                            0
                            Это привычка, приношу извинения :), конечно же вт*Ч.
                +1
                www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?14/80/68
                знакомый брал полтора года назад. В принципе доволен, летом оставлял на подоконнике, вообще в зарядку не втыкал.
                А вот в пасмурный и при любом рассеянном освещении — напряжение падает крайне сильно и толку почти нет.

          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.