Полимерные солнечные батареи и их преимущества

Развивающаяся бурными темпами солнечная фотовольтаика дала мощный импульс появлению совершенно новых направлений во всех областях, связанных с фотоэлектрическим преобразованием. Это коснулось и физики полупроводников, и нанотехнологий, и органической химии, и охраны окружающей среды, и еще многих областей науки и техники, казалось бы, никаким образом не связанных с этой проблемой. Одной из главных задач всех научных изысканий является замена кремния — основного материала для производства солнечных батарей — на нечто такое, что было бы легко изготавливаемым в промышленных количествах, не загрязняло бы окружающую среду ни при производстве, ни при эксплуатации, давало бы достаточно высокую эффективность преобразования солнечной энергии в энергию электрическую.

Запасы кремния на нашей планете неисчерпаемы: земная кора на 20% состоит из кремния. Но получение чистого кремния для солнечных батарей – очень трудоемкий процесс, который, к тому же, не безвреден в экологическом плане. И вот в результате многолетних исследований появились полимерные солнечные батареи – гелиевые ячейки, состоящие из органических материалов, то есть из углеводородных соединений.

Эффективность некоторых солнечных ячеек, изготовленных в специальных лабораториях по оригинальной технологии, полученная с одного квадратного сантиметра площади ячейки, составляла порядка 12%, что значительно ниже эффективности кремниевых батарей. Тем не менее работы по совершенствованию самих полимерных ячеек и повышению их эффективности продолжаются во всем мире.

Материалы

Основой для материала, из которого изготавливаются солнечные ячейки такого типа, являются углеводородные соединения со специфической электронной структурой, отлично сопрягаемой с π-электронной системой, придающей соответствующим материалам определенные качества аморфных полупроводников. Типичными представителями органических полупроводников являются сопрягаемые полимеры и низкомолекулярные соединения, а также специально синтезированные гибридные структуры, такие как фталоцианин меди. Первый органический фотоэлемент был получен в 1985 году американским исследователем Чинг В Таном. Он состоял из фталоцианина меди и подготовленной соответствующим образом производной PTCDA (перилен-3,4,9,10-тетракарбон-3,4,9,10-диангидрид).

Структура однослойного солнечного элемента

Первая полимерная солнечная ячейка представляла собой двухслойный элемент и была получена на базе сопряженной π-электронной системы (донор электронов) и фуллерена (акцептор электронов), причем слой фуллерена наносился после того, как был полностью сформирован слой донора. В этих солнечных ячейках слой, реагирующий на световое излучение, состоит из сопряженных углеводородов, которые переходят в активное состояние при облучении их светом. Это активное состояние характеризуется появлением избытка свободных электронов и дырок в паре слоев донор-акцептор, которые, собственно, и создают разность потенциалов между электродами.

С технологической точки зрения полимерные солнечные ячейки привлекают своей низкой затратностью при массовом производстве гибких элементов фотовольтаики со сравнительно простой структурой. Подобные технологии являются своего рода переходной фазой перед производством более сложных многослойных систем.

Принцип работы

Наиболее эффективные образцы полимерных солнечных элементов созданы с использованием так называемой донорно-акцепторной системы, то есть на оптимальном сочетании различных полупроводниковых материалов, которые при облучении их светом показывают чрезвычайно быстрый трансферт (менее одной пикосекунды) носителя от донора к акцептору (например, тонкие пленки сопряженных полимеров и фуллеренов). Такие донорно-акцепторные пары отличаются друг от друга смещенными позициями электрохимических потенциалов, а именно высшей занятой молекулярной орбиталью и низшей незанятой молекулярной орбиталью. Эти орбитали в некотором роде сопоставимы с зонной схемой неорганических полупроводников.

Структура многослойного солнечного элемента

После поглощения фотонов, энергия которых позволяет преодолевать барьер между высшей и низшей орбиталями, возникают так называемые экситоны (электростатически связанные пары положительных и отрицательных зарядов), разделяющиеся в течение короткого времени в граничной донорно-акцепторной зоне. После разделения происходит селективный перенос заряда в два полупроводника. Носители зарядов двигаются неупорядоченно и изменяют свое положение в полупроводнике «скачками», так как это обусловлено наличием множества энергетических барьеров. Носители наталкиваются на множество фазовых и молекулярных барьеров, которые имеются во внутренней структуре полупроводника, в конечном счете происходит рекомбинация, что приводит к потере очередных двух носителей заряда.

В полимерном солнечном элементе имеется поглощающий слой (полученный на стадии жидкой фазы или методом вакуумного напыления), состоящий из равнообъемной смеси органических полупроводников донорного и акцепторного типов. Этот слой наносится на прозрачный электрод и дает возможность пропустить практически весь получаемый свет, чтобы максимизировать полезное действие фотонов в активном слое. В то же время этот слой должен иметь как можно низкое сопротивление. Важнейшим качеством полимерного солнечного элемента является та рабочая функция, которая определяет, с каким из двух полупроводников предпочитает обмениваться зарядом носитель (отрицательным или положительным — соответственно, электронным или дырочным). На противоположную сторону поглощающего слоя напыляется металлический электрод, на который стекаются носители заряда, исходящие от прозрачного электрода.

Неиспользованный свет, отраженный от металлического электрода, увеличивает выход электричества, так как при повторном прохождении поглощающего слоя фотоны могут активировать не активированные ранее носители. Кроме того, толщина поглощающего слоя между прозрачным и металлическим электродами может быть оптимизирована для получения максимального эффекта поглощения света в определенной области спектра.

Полимерный солнечный модуль

Напряжение на клеммах полимерной солнечной ячейки определяется в значительной степени функциональными особенностями каждого из электродов. Чтобы получить высокое значение эффективности фотоэлектрического преобразования, поглощающий слой полимерного полупроводника должен иметь максимально возможную подвижность носителей заряда обоих знаков для того, чтобы они могли быть физически разделены после поглощения настолько быстро, насколько это возможно. Соответственно будет обеспечено и быстрое попадание носителей на соответствующий электрод. В настоящее время полимерные полупроводники имеют сравнительно низкую подвижность носителей заряда. Оптимальная толщина поглощающего слоя находится в пределах до нескольких сотен нанометров.

Преимущества и недостатки полимерных солнечных батарей

Потенциальными преимуществами полимерных солнечных батарей в сравнении с обычными кремниевыми являются:

1. Низкие производственные затраты за счет более дешевых технологий производства и более низкой стоимости материала.
2. Гибкость, прозрачность, простота использования.
3. Энергосберегающее производство.

Недостатки:

1. Низкая эффективность (на настоящий момент только в некоторых лабораториях была достигнута эффективность 12%).
2. Низкая эффективность требует больших площадей, чтобы достичь требуемых мощностей.
3. Недолговечность из-за разложения органических соединений на солнечном свете.

Научные исследования и эксперименты продолжаются, и нет сомнений в том, что все проблемы, связанные с полимерными солнечными батареями, будут решены.