Солнечные элементы с 30-летним сроком службы для энергогенерирующих окон

«Солнечная энергия — это самая дешевая форма энергии, которую человечество когда-либо производило со времен промышленной революции», — сказал Стивен Форрест, профессор электротехники Университета Питера А. Франкена, который руководил исследованием. «С этими устройствами, установленными на окнах, ваше здание становится электростанцией».

Изображение с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM) поперечного сечения среза OPV с добавленными слоями материала (IC-SAM и C70) между органическим материалом и внешними буферами после того, как материал был подвергнут воздействию света высокой интенсивности для воспроизведения ориентировочный возраст 30 лет. Он показывает целую органическую активную область без разрыва по краям. Предоставлено: Кан Дин, Мичиганский университет.

Хотя кремний остается королем эффективности солнечных панелей, он непрозрачен. Для солнечных панелей, подходящих для окон, исследователи изучают органические или углеродные материалы. Перед командой Форреста стояла задача предотвратить быстрое разложение очень эффективных органических светопреобразующих материалов во время использования.

Сила и слабость этих материалов заключаются в молекулах, которые переносят фотогенерированные электроны на электроды, вход указывает на цепь, которая либо использует, либо накапливает солнечную энергию. Эти материалы обычно называют «нефуллереновыми акцепторами», чтобы отличать их от более надежных, но менее эффективных «фуллереновых акцепторов», сделанных из углеродной сетки нанометрового размера. Солнечные элементы, изготовленные из нефуллереновых акцепторов, содержащих серу, могут достигать эффективности 18%, сопоставимой с кремнием, но они не служат так долго.

Команда, в которую вошли исследователи из Государственного университета Северной Каролины, Тяньцзиньского университета и Чжэцзянского университета в Китае, намеревалась изменить это положение. В своих экспериментах они показали, что без защиты материала, преобразующего солнечный свет, эффективность упала до менее 40% от первоначального значения в течение 12 недель при эквиваленте одного солнечного света.

«Нефуллереновые акцепторы обладают очень высокой эффективностью, но содержат слабые связи, которые легко диссоциируют под действием фотонов высокой энергии, особенно УФ-излучения. [ultraviolet] фотоны, распространенные в солнечном свете », — сказал Юнси Ли, научный сотрудник UM в области электротехники и информатики и первый автор статьи в Nature Communications.

Изучая природу деградации этих незащищенных солнечных элементов, команда пришла к выводу, что они нуждаются в подкреплении только в нескольких местах. Во-первых, им нужно заблокировать УФ-свет. Для этого они добавили слой оксида цинка — обычного солнцезащитного ингредиента — на обращенную к солнцу сторону стекла.

Более тонкий слой оксида цинка рядом с областью поглощения света помогает проводить электроны, генерируемые солнечным светом, к электроду. К сожалению, он также ломает хрупкий поглотитель света, поэтому команда добавила слой материала на основе углерода под названием IC-SAM в качестве буфера.

Кроме того, электрод, который втягивает в цепь положительно заряженные «дырки» — по сути, пространства, освобожденные электронами, — также может реагировать с поглотителем света. Чтобы защитить этот фланг, они добавили еще один буферный слой, на этот раз из фуллерена в форме футбольного мяча.

Затем команда проверила свою новую защиту при различной интенсивности симулированного солнечного света, от типичного 1-го солнца до света 27-ми солнц и температурах до 150 градусов по Фаренгейту. Изучая, как производительность ухудшалась в этих условиях, команда экстраполировала, что солнечные элементы по-прежнему будут работать с эффективностью 80% через 30 лет.

Форрест видит будущее этих устройств, «подходящих к окну рядом с вами». Его команда уже увеличила прозрачность модуля до 40%. Они считают, что могут приблизиться к 60% прозрачности.

Они также работают над повышением эффективности с 10%, достигнутых в заявленных полупрозрачных модулях, ближе к 15%, которые считаются возможными при высокой прозрачности. Поскольку материалы могут быть приготовлены в виде жидкостей, ожидается, что производственные затраты будут относительно низкими.