Прозрачная энергия: превращение окон в солнечные панели

Последнее время то и дело говорят о зеленой энергии, возобновляемых источниках оной, а также о методах ее получения, хранения и использования. И это вполне логично, ведь население планеты неустанно растет, а запасы ископаемых источников энергии стремительно иссякают. Рано или поздно может наступить такой момент, когда вся энергия, используемая людьми, будет вырабатываться солнцем, ветром и т.д. Посему многие исследователи занимаются совершенствованием существующих и созданием новых методик сбора зеленой энергии. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Мичиганского университета разработали прозрачные (точнее полупрозрачные) солнечные панели. Из чего была создана данная технология, каков принцип ее работы, и смогут ли небоскребы стать эффективными сборщиками солнечной энергии? На эти вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Солнечные панели когда-то были достаточно большой редкостью, но сейчас, благо дело, их доступность и популярность сильно возросли. Недавно я проходил мимо одного жилого дома в своем городе и заметил, что его глухие стены и крыша полностью покрыты солнечными панелями. Это вызвало у меня в равной степени удивление, восхищение и море вопросов касательно эффективности, экономической выгоды и прочего. Тем не менее этот эмпирический пример отлично показывает одну особенность — панели были установлены там, где они не будут мешать (т.е. не на окнах).

Конечно, существуют целые поля солнечных панелей, занимающие сотни квадратных метров (а то и больше), но в густонаселенных и, следовательно, густозастроенных городах слишком мало свободного пространства для такого метода установки. Кто-то скажет: «если бы сильно хотели зеленую энергию и солнечные панели, то и место нашлось бы». Согласен, но реальность пока иная. Лишнего пространства между высотками может и не очень много, но вот чего много, так это окон, которые сами могли бы стать сборщиками солнечной энергии.

На данный момент уже существует несколько разработок в области полупрозрачных солнечных панелей, эффективность которых достигает 7%. В их разработке важную роль играют органические полупроводники. По сравнению с неорганическими полупроводниками, узкие экситонные* полосы внутри органических полупроводников открывают новые возможности в области органических фотоэлектрических элементов (далее OPV от organic photovoltaics), так как многие органические соединения избирательно поглощают свет за пределами видимого диапазона длин волн.

Экситон* — электронное возбуждение в полупроводнике, диэлектрике или металле, перемещающееся по кристаллу, но не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Эффективность полупрозрачных фотоэлектрических элементов (ST-OPV) в 7% может радовать ученых и людей, понимающих сложность достижения такого показателя у столь нестандартной технологии, но с точки зрения экономической выгоды это слишком мало. Кроме того, лишь небольшая доля из разработанных ST-OPV достигает видимой прозрачности в ∼50%, что критично для многих приложений.

В результате для создания ST-OPV необходимо найти баланс между эффективностью сбора энергии и достаточным уровнем прозрачности, что не есть простая задача. Ученые также добавляют, что многие уже созданные ST-OPV имеют весьма неэстетичный внешний вид (оттенок стекла), что также никак не способствует популяризации данной технологии.

На сегодняшний день эффективные ST-OPV нейтрального цвета в основном сосредоточены на использовании материалов с сильным поглощением в ближней инфракрасной области (NIR), включающих структуры многопереходных устройств для минимизации потерь на термализацию, просветляющих покрытий (ARC) или апериодических диэлектрических отражателей (ADR) для увеличения поглощения.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают свой вариант ST-OPV, который достигает PCE = 10.8 ± 0.6% и APT = 45.7 ± 2.1%, что приводит к LUE = 5.0 ± 0.3.

PCE* — эффективность преобразования энергии (power conversion efficiency);
APT* — средняя светопропускная способность (average photopic transmission);
LUE* — эффективность использования света (light-utilization efficiency).

В устройстве используется NFA молекула NFA (нефулереновый акцептор) с высоким поглощением в ближнем ИК-диапазоне, для синтеза которой требуется всего несколько шагов. Несмотря на то, что NFA имеют частично ковалентно конденсированные кольцевые структуры (а не жесткие и полностью конденсированные), в них наблюдались сильные межмолекулярные π – π взаимодействия и плотная упаковка молекул (1А).


Изображение №1

Комбинация материалов, поглощающих свет в ближнем ИК-диапазоне, выводных (выход фотонов из светодиода после генерации) структур (OC от outcoupling) на выходной поверхности и прозрачных электродов позволила достичь того самого компромисса между эффективностью, прозрачностью и эстетичностью.

Нейтральный по цвету ST-OPV с использованием прозрачного анода из оксида индия-олова (ITO от indium tin oxide) показал PCE = 8.1 ± 0.3%, APT = 43.3 ± 1.5% и LUE = 3.5 ± 0.1%. Показатели света, проходящего через устройство, были таковыми: коэффициент цветопередачи (CRI) = 86; коррелированная цветовая температура (CCT) = 4143 K; хроматические координаты — (0.38, 0.39).

Результаты исследования

На изображении 1А показаны молекулярные структуры трех исследованных NFA, один из которых (а именно SBT-FIC) продемонстрировал полностью слившуюся молекулярную основу. Два других NFA (A078 и A134) с частично сплавленными ядрами являются изомерами SBT-FIC, содержащими четыре тиофена, два циклопентадиена и одно бензольное кольцо.

Одним из основных отличий между тремя NFA является сложность синтеза. На изготовление SBT-FIC требуется 10 этапов синтеза, а для создания A078 и A134 — всего от 4 до 6 этапов. В дополнение к этому, A078 и A134 привлекательны еще и достаточно большим выходом, а также менее токсичными и более дешевыми материалами для синтеза.

Спектры поглощения NFA в УФ-видимом диапазоне показаны на 1В и 1С. Удивительно, но тонкие пленки A078 и A134 демонстрируют значительные батохромные сдвиги* ~ 135 нм по сравнению с SBT-FIC с пиком поглощения при λ_max = 900 нм.

Батохромный сдвиг* — смещение спектральной полосы в длинноволновую область под влиянием заместителей или изменений среды.

Циклическая вольтамперометрия NFA молекул показала, что у SBT-FIC энергии высшей занятой молекулярной орбитали* (ВЗМО) и низшей вакантной молекулярной орбитали (НВМО) составили EH = -5.81 (± 0.02) и EL = -4.15 (± 0.03) эВ. Для A078 показатели были: 5.58 (± 0.02) и -4.06 (± 0.03) эВ. А для A134: -5.54 (± 0.02) и -4.05 (± 0.03) эВ.

Молекулярная орбиталь* — математическая функция, описывающая волновое поведение электронов в молекуле.

ВЗМО (высшая занятая молекулярная орбиталь) — орбиталь, которая среди заполненных в основном состоянии имеет наибольшую энергию.

НВМО (низшая вакантная молекулярная орбиталь) — полностью или частично вакантная молекулярная орбиталь с наименьшей энергией среди всех заполненных.

A078 и A134 демонстрируют более низкую ВЗМО-НВМО запрещенную зону (∼1.40 эВ), чем SBT-FIC (∼1.65 эВ), что согласуется с оптическими измерениями.

Далее NFA, смешанные с PCE-10, был использован в OPV со структурой ITO / ZnO (30 нм) / активный слой (∼100 нм) / MoO₃ (20 нм) / Ag (100 нм).


Изображение №2

На графике 2А показаны характеристики плотности тока и напряжения вышеописанных NFA+PCE-10.

В устройстве на базе A078 были достигнуты следующие показатели: PCE = 13.0 ± 0.4%, VOC = 0.75 ± 0.01 В, JSC = 24.8 ± 0.7 мА/см² и FF = 0.70 ± 0.04.

Устройство OPV на основе A134 показало: PCE = 7.6 ± 0.2% с VOC = 0.75 ± 0.01 В, JSC = 16.7 ± 0.5 мА/см² и FF = 0.61 ± 0.03.

Для устройства PCE-10: SBT-FIC показатели были такими: PCE = 7.8 ± 0.3% с VOC = 0.70 ± 0.01 В, JSC = 17.2 ± 0.7 мА/см² и FF = 0.65 ± 0.02.

Стоит отметить, что добавка 1-фенилнаталена (PN) приводит к значительному повышению эффективности устройств A078 и A134 по сравнению с SBT-FIC, что связано с улучшенной молекулярной упаковкой A078 и A134, а также более благоприятной ориентацией молекул в смеси. Также видно, что устройство PCE-10:A134 показывает более низкий PCE по сравнению с OPV PCE-10:A078. Это связано с кристалличностью A134, что приводит к его более низкой растворимости.

График 2В показывает спектры внешней квантовой эффективности* (EQE) различных вариантов устройства.

Квантовая эффективность* — отношение числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощенных фотонов.

Значительное улучшение JSC для A078 по сравнению с SBT-FIC OPV связано с его красным смещением* поглощения на ~200 нм, которое обеспечивает охват солнечного спектра дальше в NIR.

Красное смещение* — явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.

EQE A078 OPV достигает 80%, между λ = 700 и 900 нм, оставляя окно прозрачности между видимыми длинами волн от 400 до 650 нм.


Изображение №3

На графиках 3А-3С показаны профили различных устройств на базе чистых пленок NFA и смеси PCE-10:NFA с/без добавления 1-фенилнаталена.

При добавлении 1-фенилнаталена показатель поглощения пленки PCE-10:NFA практически не меняется. А вот в смесях PCE-10:A078 и PCE-10:A134 обнаружен новый ярко выраженный пик агрегации около 900 нм. Это указывает на то, что добавка 1-фенилнаталена усиливает межмолекулярные π – π взаимодействия на частично связанных акцепторах, а не на полимерном доноре.

Далее были изучены морфологические свойства разных вариантов устройства.

A078 демонстрирует широкий (100) пик дифракции при 0.31 Å⁻¹ с длиной ламеллярной когерентности L_c = 7.5 нм. В случае A134 пик дифракции был более узким и острым при 0.36 Å⁻¹ с более высоким значением L_c = 15 нм. Из этого следует, что у A134 более высокая упорядоченность, чем у A078, что объясняется заменой объемной боковой цепи молекулы п-гексилфенила компактными линейными алкильными цепями.

SBT-FIC в свою очередь показывает дифракционный пик при 0.34 Å⁻¹ с наименьшей длиной ламеллярной когерентности L_c = 3.7 нм из-за его аморфной природы.

За счет добавления 1-фенилнаталена дифракционные пики (010) PCE-10:A078 и PCE-10:A134 (3E) при 1.79 и 1.82 Å⁻¹ (из-за NFA) смещены и показывают увеличенную длину когерентности (24 против 52 Å для A078) и (30 против 63 Å для A134).

А вот внесение добавок в PCE-10 никак не влияет на значение когерентности. Это подтверждает, что морфологические отличия между вариантами устройства происходят от NFA, а не от донора.

Кроме того, при использовании 1-фенилнаталена была обнаружена зависимость от ориентации молекул (параллельная или перпендикулярная). Для PCE-10:A078 отношение «параллельная/перпендикулярная» увеличивается с 2.37 до 3.64 (3D). Ввиду того, что параллельная ориентация молекул является идеальной для переноса заряда, становится очевидным, почему именно устройство A078 обладает столь высокой эффективностью (по сравнению с другими вариантами).

Ввиду этих данных именно A078 был использован в исследуемых полупрозрачных фотоэлектрических элементах (ST-OPV), структура которых выглядела следующим образом: ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (95 нм) / MoO₃ (20 нм) / Ag (16 нм).


Изображение №4

Полученный ST-OPV показал LUE = 2.8 ± 0.1%, PCE = 11.0 ± 0.7% и APT = 25.0 ± 1.3%. Однако, несмотря на неплохой показатель PCE > 10%, применять данное устройство в архитектуре нельзя, так как там требуется, чтобы средняя светопропускная способность APT была ~ 50%.

Решить эту проблему ученые смогли за счет специально разработанной структуры для управления оптическими свойствами устройства, позволяющей достичь максимального пропускания в видимом диапазоне и максимального отражения в ближнем ИК-диапазоне.

На анод из серебра было нанесено оптическое OC-покрытие, состоящее из четырех слоев: CBP (C₃₆H₂₄N₂; толщина слоя 35 нм, коэффициент преломления 1.90) / MgF₂ (100 нм, 1.38) / CBP (70 нм) / MgF₂ (45 нм). А на дистальную поверхность стеклянной подложки наносили ARC (слой просветляющего материала), состоящий из бислоя MgF₂ (120 нм) и SiO₂ (130 нм) с достаточно низким коэффициентом преломления 1.12.

ST-OPV с OC и ARC продемонстрировал увеличение средней светопропускной способности (APT) с 25.0 ± 1.3% до 45.7 ± 2.1%, что является улучшением почти на 80% по сравнению с устройством без дополнительных слоев (т.е. без OC и ARC). Значение эффективности преобразования энергии (PCE) практически не изменилось (4С). Наблюдалось лишь незначительное уменьшение плотности тока (JSC = 20.4 ± 0.8 против 20.9 ± 1.2 мА/см²). При использовании данной конфигурации устройства эффективность использования света составила LUE = 5.0 ± 0.3%. Данный показатель, по заявлению ученых, является самым высоким среди имеющихся на данный момент ST-OPV устройств.

Основные показатели разработанного устройства многообещающие, осталось изучить его внешний вид, что было сделано посредством смоделированного солнечного света (AM1.5G).

Свет, прошедший сквозь устройство с ОС и ARC покрытием, имел хроматические координаты (0.33, 0.39) и CCT = 5585 K. Тем временем, высокая отражательная способность ультратонкого катода из серебра при λ> 600 нм придает устройству зеленый оттенок. В отличие от Ag, ITO имеет более высокую прозрачность с плоским спектром пропускания в видимой области. Если использовать катод и анод ITO, то в результате можно получить более нейтральный оттенок.


Изображение №5

На графиках и фото выше показаны спектральные характеристики плотности тока, напряжения и EQE устройства ST-OPV на основе ITO со следующей структурой: MgF₂ (120 нм) / стекло ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (105 нм) / MoO₃ (20 нм) / напыление ITO (140 нм) / MgF₂ (145 нм) / MoO₃ (60 нм) / MgF₂ (190 нм) / MoO₃ (105 нм).

По сравнению с ST-OPV на основе Ag, устройство на основе ITO показывает различия в FF и VOC из-за его более высокой работы выхода* и поверхностного сопротивления (~ 50 Ом/квадрат).

Работа выхода* — энергия, которую должен получить электрон для его удаления из объема твердого тела.

Но самые значимые отличия наблюдались в показателях JSC и PCE. Поскольку устройство становится все более прозрачным, отражение от ITO анода в тонкую активную область уменьшается, устраняя двойной проход фотонов. Чтобы свести к минимуму потерю фотонов низкой энергии, OC покрытие было специально разработано с максимальным пропусканием в видимой области спектра и более высокой отражающей способностью на более длинных волнах. Таким образом, устройство с OC покрытием имеет на 15% более высокие значения JSC и PCE по сравнению с ITO устройством без покрытия, хотя видимая прозрачность при этом практически не меняется.

ITO устройство с ОС покрытием демонстрирует LUE = 3.5 ± 0.1%, PCE = 8.1 ± 0.3% и APT = 43.3 ± 1.5%, и имеет почти нейтральный оттенок. Также анализ трестируемого устройства показал, что оно передает цвет объекта за ним (5D).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В городах полно домов (простите за очевидное), следовательно, множество окон. Использование их в качестве площадки для сбора солнечной энергии является весьма разумной, но сложной в реализации идеей. С одной стороны необходимо собирать максимум энергии, с другой — суть окна в том, что оно прозрачное.

В данном труде ученые смогли продемонстрировать рабочий прототип устройства полупрозрачного фотоэлектрического элемента с PCE = 10.8 ± 0.6%, APT = 45.7 ± 2.1% и LUE = 5.0 ± 0.3%. Другим словами, эффективность устройства составила 10.8%, а его прозрачность 45.8%. Основным достоинством данной разработки является баланс между этими показателями.

На данный момент эффективность использования света составляет порядка 5%, что уже хорошо, ведь предшественники могли выдать максимум 2-3%. Однако ученые намерены продолжить свой труд и достичь 7%. Еще одной задачей, которую они перед собой поставили, является продление срока службы устройства до 10 лет. Долговечные, эффективные и эстетически красивые фотоэлементы смогут превратить обычное офисное здание в своего рода солнечную электростанцию.

Хотелось бы сказать, что подобные исследования своевременны, однако это не так. Такими разработками, особенно столь массово, как сейчас, стоило заниматься намного раньше, не дожидаясь момента, когда предотвращение экологической и энергетической катастрофы превратится в разбор последствий. В любом случае подобные начинания, хоть и с опозданием, имеют огромную важность не только для будущего человечества, но и для будущего нашей планеты.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?