Органические солнечные батареи

В XXI веке человечество столкнулось с проблемой истощения органических источников топлива. В будущем ресурс таких ископаемых как нефть, уголь, газ будет исчерпан, поэтому актуален вопрос получения энергии из альтернативных источников.

В перспективе из всех доступных источников одним из самых емких будет энергия Солнца, поступающая на поверхность Земли в огромном количестве, во много раз превышающим глобальные потребности человечества. Для ее поглощения используют солнечные батареи, установленные на крышах зданий.

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно, таким образом, они является основой конструкции. Фотоэлементы обычно оценивают по трем основным параметрам: эффективность или КПД, срок службы и стоимость. Баланс этих показателей определяет место на рынке.

На данный момент мы находимся в ситуации доминирования кремниевой фотовольтаики (солнечные батареи с фотоэлементами из кристаллического или аморфного кремния). В связи с этим в настоящее время солнечную энергию преобразовывают с помощью неорганических солнечных батарей, в основном кремниевых . Их эффективность порядка 15%, срок службы около 30 лет. Однако стоимость кремниевых солнечных батарей определяется высокой себестоимостью их производства, монтажа и обслуживания. Это приводит к тому, что большинство людей не могут позволить себе разместить их у себя на крыше.

090225Konarka_p1

Более того, стоимость электроэнергии, получаемой при помощи таких батарей, на сегодняшний день не очень конкурентоспособна. Это связано, прежде всего, со стоимостью технологий обработки и получения кремния. Поэтому нужны новые типы солнечных батарей, которые были бы дешевле и позволили бы использовать ресурс энергии солнца в большем масштабе, чем сейчас.

Поэтому взгляд естественным образом упал на органические солнечные элементы – элементы, применяющие органические, проводящие полимеры для сбора энергии от Солнца. Полимеры стоят относительно недорого, а сами плёнки-фотоэлементы можно будет печатать на принтерах с приличной скоростью и за год покрывать большую площадь. Таким образом органическая фотовольтаика требует малых затрат и легко масштабируется.

Органические полупроводники являются перспективным элементом для создания солнечных батарей, поскольку их можно производить в виде больших пластиковых листов. Однако их недостатком всегда считался низкий коэффициент преобразования световой энергии в электрическую.

Когда полупроводящий материал поглощает фотоны, образуются экситоны – водородоподобные квазичастицы. Экситоны представляют собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных в одном узле кристаллической решетки. Экситоны создают фотонапряжение при ударе о границу или узел решетки. Если экситоны перемещаются только на дистанцию в 20 нм, лишь те, которые находятся близко к узлам, могут создавать напряжение, что и объясняет низкую эффективность современных органических солнечных элементов.

Частично скомпенсировать эти негативные факторы позволяет уменьшение толщины активного слоя до 50 нм, что снижает эффективность поглощения света, т.е. не дает возможность значительно повысить общую эффективность.

Одно из возможных решений, позволяющих увеличить поглощение света в сверхтонких активных слоях – применение металлических наночастиц. Из-за большого электромагнитного поля в непосредственной близости таких наночастиц увеличивается вероятность диссоциации экситонов на электрон и дырку проводимости. Кроме того, увеличивается доля поглощенных фотонов за счет рассеяния. Поскольку оптические свойства наночастиц в значительной степени зависят от их размера, существует возможность «настроить» максимум поглощения такой ячейки в различные области электромагнитного спектра.

Таким образом, можно выделить плюсы применения органических солнечных батарей:

— энергоэффективность, заключающаяся в энергосбережении и экономии затрат на оплату энергии;

— экологичность;

— стоимость;

— снижение вредных воздействий на здоровье людей, находящихся в зданиях с солнечными батареями;

— сохранение природных ресурсов за счет активного использования энергии Солнца.

В настоящее время многие исследователи работают над повышением следующих возможностей солнечных панелей: повышение их прочности, времени использования, и их эффективности.

Есть возможность построить органические солнечные элементы с прозрачностью, практически не отличающейся от прозрачности обычного стекла, и такими же эффективными, как непрозрачные пластиковые ячейки. Сделать это можно путем включения фотонного кристалла внутрь панели, что позволит увеличить количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения поглощаемого панелью. Таким образом, панели могут быть использованы на искривленной поверхности и в тоже время являются почти прозрачными и также их цвет можно будет изменить путем изменения конфигурации фотонного кристалла.

Одно из наиболее обещающих направлений, включает использование улучшенных органических плазменных фотоэлектрических материалов. Эти устройства несравнимы с традиционными солнечными панелями в вопросе производства электричества, но они дешевле и, благодаря их жидкой форме, могут быть нанесены на самые разные поверхности.

Таким образом, использование солнечных батарей органического происхождения открывает возможность частичного или полного замещения невозобновляемых энергоносителей, которые будут обеспечивать питание самых различных систем здания, позволяет существенно сэкономить и снизить вредное воздействие на окружающую среду. Именно поэтому данная технология актуальна в строительстве.

В.Л. Малышева, С.С. Красимирова, Д.Н. Рожкова
Журнал «Вестник магистратуры» № 1(40) 2015

Источник

Очень плохоПлохоНе плохоХорошоОтлично! (Еще нет голосов, оставьте первым)
Загрузка...