Полимерные солнечные батареи: принцип работы, модели и где купить

Сравнение всех видов солнечных батарей их отличия

В Европе активно развивают альтернативную энергетику, понимая ее безопасность и перспективность такого источника электроэнергии, как солнечные батареи. Желая организовать отопление жилых зданий ил промышленных за счет энергии земного светила, постройки оснащают именно ими. Эти устройства год от года становятся более совершенными, увеличивается их КПД, они становятся готовыми к работе в темное время и в малосолнечных областях.

Чтобы не ошибиться с выбором солнечных батарей, нужно знать достоинства каждого вида и отличия, потом что для конкретных климатических зон применяются разные виды таких устройств.

Принцип функционирования

Большая часть этих экологических солнечных устройств в действительности не что иное, как фотоэлектрический преобразователь, у которого на границе p-n перехода возникает эффект электрогенерации.

Основой себестоимости солнечных батарей является стоимость кремниевые пластины. Но, для того, чтобы они служили круглые сутки источником электрической энергии, одних пластин кремниевых недостаточно – придется приобрести оборудование дополнительное и, прежде всего, достаточно дорогие аккумуляторные батареи.

Устройство

Составляют панель солнечную два кремниевых элемента, отличающиеся по своим свойствам. В одном из них возникает под воздействием света недостаток частиц с отрицательным зарядом –электронов, в другом они присутствуют в избытке.

На каждой из пластин имеются медные полоски, проводящие ток, которые соединяют с преобразователями напряжения.

У солнечной батареи, предназначенной для промышленного применения, есть много фотоэлектрических ячеек, прошедших стадию ламинирования. Они между собой скреплены и закреплены на подложке гибкой или жесткой.

КПД

Эффективность солнечных батарей определяется во многом стадией очистки кремния, который используется в производстве, и ориентацией кристаллов в нем. Эти характеристики и стремятся улучшать разработчики. Ежегодно значение КПД удается увеличивать (в разных видах на неодинаковую величину), благодаря миллиардным инвестициям, вкладываемым в исследования фотогальванических элементов. Тем не менее, эффективность остается недостаточной для массового применения солнечных батарей.

Сложности

Основной проблемой является очистка кремния, точнее стоимость этого процесса, а также ориентирование кристаллов в пределах панели в одном направлении.

Могут использоваться для изготовления преобразователей полупроводниковых помимо кремния иные элементы — индий, например. Их применение не сказывается на принципе функционирования — он не меняется.

Типы

Классификация промышленных панелей солнечных происходит по типу рабочего слоя и конструктивным особенностям. Различают панели жесткие и гибкие.

Последние занимают все более широкую нишу благодаря универсальной установке: он и легко устанавливаются на любые поверхности, в том числе на вертикальны – фасады зданий. При этом они совершенно не портят архитектуру, а напротив привносят в не некую изюминку.

Как правило, действительные параметры солнечных батарей несколько ниже заявленных производителем, поэтому, прежде чем выбирать, желательно увидеть воочию уже действующий проект.

По типу фотоэлектрического слоя их подразделяют на:

• кремниевые. К ним относятся поли — , монокристаллические и аморфные;
• теллурий-кадмиевые. Их собирают на основе индия, меди и галлия;
• полимерные;
• органические;
• с использованием арсенида галлия;
• комбинированные и многослойные.

Не все перечисленные виды интересны потребителю, а лишь кристаллические, несмотря на то, что их КПД ниже некоторых других (правда, более дорогих, отчего и менее распространенных).

Процесс изготовления кремниевых конструкций

Для получения солнечных панелей применяют кремний, получаемый при перемалывании кристаллов кварца, огромными запасами которого славится Урал и в Сибирь. Именно из-за безграничных запасов это направление считается очень перспективным. Сегодня за кристаллическими и аморфными панелями почти 80% рынка.

Кремниевые монокристаллические панели

Описание

Их легко узнать при визуальном осмотре. В углах элементов хорошо различимы квадратики белого цвета.

Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Кремний в этом случае требует высокой очистки. Понятно, что технологический процесс по очистке его отличается дороговизной. Затратным является и процесс, результатом которого является ориентирование кристаллов в одном направлении.

Важно: Характеристики рабочего слоя наибольший КПД обеспечивают лишь в случае, когда лучи падают на панели пол прямым углом.

КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин.

Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства. В таком виде они считаются идеальным решением для пустынь. Там их производительность наилучшая.

Работать монокристаллические панели не смогут без дополнительного оборудования, способного поворачивать конструкцию вслед за движущимся солнцем, стараясь, чтобы на лучи падали на пластину максимально близко к прямому углу.

Из выращенного в условиях производства кристалла, имеющего вид цилиндра, вырезаются слои. Вот почему у готовых блоков углы скруглены.

Преимущества

• Высокий КПД – от 17 до 25 процентов;
• Небольшая площадь для установки;
• Период эксплуатации достигает 25 и более лет.

Недостатки

Их немного:

• достаточно высокая цена;
• небыстрая окупаемость;
• поверхности панелей слишком чувствительны к различным загрязнениям. Поскольку свет хуже рассеивается на покрытой пылью панели, то и эффективность ее резко падает;
• необходимость в прямых лучах требует их размещения только на открытых местах и высоко от земли.

Чем область ближе расположена к экватору, тем большее там количество в году солнечных дней. И это вид панелей, использующих энергию солнца, наиболее предпочтительный.

Поликристаллические

Описание

Все кремниевые устройства слишком реагируют на перегрев. Температура, рекомендуемая для измерения электрогенерации, составляет 25 градусов. Даже при ее увеличении всего на градус производительность уменьшается на 0,5%.

Поликристаллические конструкции также легко определить визуально, поскольку окрас их неравномерный, что связано с разной ориентированностью кристаллов, обеспечивающей высокое КПД в рассеянном свете. Хотя значение его меньше, чем в панелях однонаправленных, в непогоду наибольшей эффективностью отличаются именно они.

Чистота кремния намного ниже, чем у рассмотренных выше, также допускается присутствие примесей и инородных включений. Это снижает себестоимость. Для этого вида панелей металл просто разливается в формы. Затем, используя специальные приемы, формируют кристаллы, направленность которых контролировать не нужно.

Остывший кремний режут на слои, обрабатывая их по специальному алгоритму.

Эти батареи не нуждаются в непрерывном ориентировании на солнце, следовательно, для их установки пригодны крыши зданий.

Достоинства аморфного кремния в полной мере раскрываются в тени и с наступлением облачных дней и практически незаметны в солнечную погоду.

Не нужны им и поворотные механизмы, поскольку крепятся они стационарно.

Стоит такая разновидность панелей меньше, чем ориентированные. Эффективность их падает на 20% после 20-летнего использования.

Недостатки

Они, понятно, есть:

• Более низкий КПД;
• Необходимо большая площадь для монтажа.

В последние годы, благодаря новым исследованиям и появляющимся технологиям, КПД неуклонно растет и у некоторых панелей достигает 20%.

Панели из аморфного кремния

Описание

Механизм их изготовления совершенно иной, чем у кристаллических фотоэлементов. Для них используется гидрид вместо чистого кремния. Его нагревают до парообразного состояния. Когда пары достигают подложки, они осаждаются на ней. Затраты на изготовления снижаются, а кристаллы не образуются (в понимании классическом).

Полученные фотоэлементы в основе имеют полимерную подложку гибкую либо жесткий стеклянный лист.

Разработано уже 3 поколения таких панелей, анализ характеристик которых дает право говорить о растущем КПД. Первые образцы отличались эффективностью, едва достигавшей 5%, у второго поколения это значение достигало 9, а у последних разработок это уже 12%. Их уже можно встретить в продаже, но цена на них пока остается высокой.

Благодаря особой структуре, подобные солнечные панели максимально поглощают энергию в слабом рассеянном свете, поэтому успешно применяются они в районах севера, где мало солнца и имеются огромные свободные площади.

Важно: на эффективности работы таких батарей не сказывается повышение температуры, хотя в сравнении с панелями на основе арсенида галлия, она ниже.

Преимущества

• гибкая основа, упрощающая монтаж и расширяющая область использования;
• в рассеянном свет высокий КПД;
• стабильность при высокой температуре;
• устойчивость к повреждениям механического характера;
• независимость от загрязнений.

При правильной эксплуатации они служат не менее 20 лет, за которые падение мощности составляет 15-20.

Недостатки

Единственным минусом считается потребность в большой площади.

Помимо кремниевых, производятся панели, в основе которых лежат редкие, значит, дорогостоящие металлы. КПД подобных конструкций превышает 30%, а цена в разы выше стоимости кремниевых. И, несмотря на это, свою нишу на рынке они успели занять.

Панели из редких металлов

Описание

КПД у них высокий. По этому показателю они впереди кремниевых. В основе устройств, способных к работе в условиях экстремальных, лежит теллурид кадмия. Применяются они для облицовки строений в экваториальных странах, где в дневное время поверхности нагреваться порой выше 80 градусов.

Также растет популярность селенид –индий – медно – галлиевых панелей и селенид- индий – медных.

Но, не забывая о токсичности кадмия, и о том, что галлий с индием достаточно редко встречающиеся металлы, невозможно даже предположить, что они будут использоваться для массового производства.

Их эффективность измеряется 35%, даже иногда 40%. Ранее применялись они в космической области, а сегодня – в тепловых электрических солнечных станциях (благодаря стабильности в диапазоне 130-150 градусов).

На панели маленькой площади концентрируются лучи сотен зеркал. Она генерирует ток и передает одновременно водяному теплообменнику тепло. Он нагревает воду до парообразного состояния. Пар приводит во вращение турбину, генерирующую энергию электрическую. То есть, с наибольшей эффективностью энергия солнца сразу двумя способами превращается в электрическую.

Органические аналоги и полимерные

Это самые новые разработки, появившиеся в последнее время – органические панели, которые отличаются абсолютной безопасностью для экологии и недорогим производственным процессом. Успехов в этом направлении удалось достичь больших.

Среди европейских компаний, успехом наибольшим похвастаться может фирма Heliatek, оснастившая своими пленочными конструкциями, у которых толщина всего миллиметр, ряд зданий. Их КПД находится в пределах 14-15%, цена же ниже в разы, чем у аналогов кристаллических.

Какой же панели отдать предпочтение?

Для загородных коттеджей не трудно выбрать батарею, если он находится на широте 45-60. И выбирать здесь нужно из кремниевых моно- и поликристаллических видов.

При недостаточности места рекомендуется выбрать первые, при отсутствии ограничений площади – вторые.

Производителя, мощность, способную решить все проблемы, оборудование дополнительное рекомендуется выбирать с менеджерами, занимающимися продажей и монтажом данного оборудования.

Видео: ABC-Solar — Виды солнечных панелей

Видео: Поликристаллическая солнечная панель против монокристаллической.

Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, повышается их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца, необходимо предварительно узнать об отличиях оборудования, понять, какие солнечные панели подходят под климатические условия определенного региона.

Мы поможем разобраться в этом вопросе. В статье рассмотрен принцип работы фотоэлектрических преобразователей, приведен обзор разных видов солнечных батарей с указанием их характеристик, преимуществ и недостатков. Ознакомившись с материалом, вы сможете сделать правильный выбор для обустройства эффективной гелиосистемы.

Содержание статьи:

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Именно кремниевые пластины составляют основу себестоимости солнечных панелей, но при их использовании в качестве круглосуточного источника электроэнергии придется дополнительно купить дорогостоящие аккумуляторные батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения.

Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Ежегодно максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, потому что в исследования новых фотогальванических материалов вкладываются миллиарды долларов (+)

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов – при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя.

Различают такие виды батарей по типу устройства:

• ;
• жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

1. Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
2. Теллурий-кадмиевые.
3. На основе селенида индия- меди-галлия.
4. Полимерные.
5. Органические.
6. На основе арсенида галлия.
7. Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Галерея изображений

Фото из

Массив монокристаллических солнечных фотоэлементов

Солнечная панель на основе поликристаллов кремния

Солнечная панель в виде пленки

Фотогальванические элементы из селенида индия-меди-галлия

Фотоэлемент на основе арсенида галлия

Солнечные панели со слоем теллурида кадмия

Производство органических солнечных панелей

Солнечная батарея из полиэфира

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25°C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка – размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны.

Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами идеально вписываются в пустынные пейзажи. Там обеспечиваются условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Компактность – меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
3. Долговечность – достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы.

На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется. После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при легкой облачности преимуществ солнечных панелей из аморфного кремния заметно не будет, их достоинства раскрываются только при плотных тучах или в тени (+)

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами относят:

1. Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
2. Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
3. Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
4. Длительность эксплуатации – падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Относительная громоздкость – требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложку.

В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

Фотоэлементы из осажденного аморфного кремния можно закреплять как на гибкой полимерной подложке, так и на жестком стеклянном листе

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД. Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии, создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями.

Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

При одинаковой стоимости оборудования солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность, чем их моно- и поликристаллические аналоги (+)

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Универсальность – возможность изготовления гибких и тонких панелей, монтаж батарей на любые архитектурные формы.
2. Высокий КПД при рассеянном свете.
3. Стабильная работа при высоких температурах.
4. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
5. Сохранение работоспособности в сложных условиях – меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.

При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Некоторые мастера предпочитают собирать солнечные батареи собственноручно. На нашем сайте есть статьи с подробным описанием технологии изготовления таких панелей, их подключению и обустройству отопительных гелиосистем .

Советуем ознакомиться:

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что скоро энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах.

Всем заинтересованным в вопросе выбора и использования солнечных батарей предлагаем оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма для связи расположена в нижнем блоке.

Гибкие солнечные панели

Высокая стоимость электроэнергии и частые проблемы с ее подачей заставляют обращать внимание на альтернативные источники. К таковым можно отнести гибкие солнечные панели. Их конструктивное исполнение позволяет переводить солнечную энергию в электрическую. Особое конструктивное исполнение делает возможным их крепление на различных поверхностях. Чтобы оценить, подойдут ли такие энергосберегающие конструкции для вашего дома или офиса, стоит познакомиться с отличительными особенностями.

Что это такое

Гибкая солнечная панель состоит из тонкой подложки, на поверхность которой нанесен слой кремниевого полупроводника. Готовое изделие вместе с напыленным слоем имеет толщину менее 1 мкм. Принцип работы системы основан на фотовольтаике, предполагающую преобразование энергии фотонов в электричество. Под воздействием солнечных лучей полупроводник начинает нагреваться, это приводит к формированию направленного потока электронов. Элементы соединяются с выводами, обеспечивая тем самым формирование батареи, вырабатывающей электроэнергию.

Сравнительно недавно подобные конструкции имели большие размеры и невысокий КПД. Сегодня ситуация изменилась. Для выработки электрического тока батарее требуется немного света. При этом само устройства имеет небольшой вес, достаточно гибкое и мобильное. Его можно быстро переместить с одного места на другое.

Вместо аморфного кремния многие производители сегодня используют полимерные соединения, теллуриды кадмия, индиевые диселениды и другие вещества. Для увеличения КПД гибкие солнечные панели выполняют многослойными. Выбор в пользу каскадного строения позволил обеспечить многократное преобразования отраженного света, и за счет этого добиться повышения работоспособности элемента.

Для подачи электроэнергии внутрь дома потребитель должен иметь в наличии:

• аккумулятор, в котором будет накапливаться вырабатываемая электроэнергия. Он позволит предотвратить возможные негативные последствия, которые могут иметь место при скачках напряжения;
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
• система, позволяющая откорректировать уровень заряда аккумулятора.

Преимущества

Почти любая гибкая солнечная панель является востребованным источником энергии, так как:

• Компактна и легка. Размер и вес изделия сравнительно небольшой, что делает возможным их монтаж практически в любом месте. При установке гибких модулей можно отказаться от усиления основания.
• Экологична, что имеет важное значение при покупке подобных конструкций для электроснабжения жилых помещений. В процессе работы устройства не оказывают негативного влияние на состав и состояние воздуха внутри помещения. Они не выделяют вредных веществ.
• Производительны. Продуманное нестандартное решение существенно повышает эффективность изделий. Хотя они несколько уступают монокристаллическим, но при соблюдении правил и рекомендаций производителя по эксплуатации установленного оборудования можно добиться производительности порядка 18 %;
• Универсальны. Качественные гибкие элементы способны выдержать значительные температурные колебания. Они могут монтироваться на основание любой формы, повторяя контуры основы. Это делает возможным их размещение на любой открытой площадке и эксплуатацию в различных погодных условиях.
• Просты. Благодаря достаточно простому исполнению гибкие солнечные батареи могут монтироваться своими силами. Это существенно сокращает общие затраты на монтаж.
• Мобильны. Их необязательно монтировать на стационарную основу. При желании панель можно скрутить в трубочку и взять с собой в путешествие.

Недостатки

Хотя подобные энергосберегающие системы востребованы у пользователей, они не лишены недостатков. К таковым стоит отнести:

• Невысокий КПД, что не всегда позволяет выработать достаточно количество электроэнергии для полного обеспечения потребностей жителей частного дома. Для автономной работы системы электроснабжения потребуется большое количество мощных конструкций;
• Небольшую толщину напыляемого слоя, что существенно сокращает срок службы изделия. Многие изделия не способны прослужить более 20 лет. Гарантийный срок ограничен тремя годами. Через пять лет отдельные элементы начинают выходить из строя.

К недостаткам также стоит отнести продолжительный период окупаемости. Стоимость энергосберегающей конструкции сложно назвать бюджетной. Кроме самих элементов придется дополнительно приобрести специальное оборудование для обеспечения работоспособности монтируемой системы. Потребуется продолжительный период времени для окупаемости понесенных затрат. Эффективность системы зависит от погодных условий, а для ее функционирования надо дополнительно приобрести дорогостоящее оборудование.

Особенности эксплуатации

Чтобы гибкие солнечные панели работали максимально эффективно, при их эксплуатации надо учитывать определенные особенности:

• наибольший КПД обеспечивается в регионах с большим количеством солнечных дней;
• в пасмурные дни производительности снижается, а потому стоит заранее предусмотреть возможность подключения к аккумуляторной батарее либо к централизованной системе электроснабжения;
• нагрев фотоэлементов ведет к снижению производительности гелиопанелей;
• устанавливать системы стоит с южной стороны, монтируя под углом 35–40 градусов;
• предпочтительным местом установки являются крыши, если система предназначена для электрификации здания.

Область использования

Гибкие солнечные панели являются универсальными конструкциями. Они используются в различных областях, где существует потребность в электрической энергии. Модули способны стать достойной альтернативой кровельному материалу. Однако их крепят на крыше, покрытой черепицей, металлопрофилем, шифером. В результате строение получает оригинальный внешний вид, а система вырабатывает электроэнергию для обеспечения его потребностей.

Такой способ электроснабжения может являться основным и дополнительным. Если дом располагается в регионе с большим количеством солнечных дней, актуален первый вариант. Во всех остальных случаях желательно, чтобы гибкие панели дублировали традиционную схему электроснабжения. Так как при снижении эффективности конструкции на некоторый период времени дом может оказаться обесточенным.

Актуальны не только для электрификации зданий, но и при изготовлении различных электронных изделий, в авто- и авиастроении, при оснащении космических аппаратов. Гибкая солнечная панель имеет небольшой вес, что делает актуальным ее использование для обеспечения электричеством:

• электромобилей и электросамокатов;
• многочисленных гаджетов во время длительных прогулок и пеших переходов: панели нашиваются непосредственно на рюкзаки и куртки для обеспечения подзарядки аккумуляторных батарей непосредственно во время движения;
• охотничьих домиков, туристических палаток;
• яхт и других плавательных средств.

Порядок монтажа

Чтобы система работала эффективно, до начала монтажных работ выполняется расчет необходимого количество модулей. Это позволит понять, какое количество панелей надо приобрести, и какими характеристиками они должны обладать. После закупки необходимого количества и ознакомления с инструкцией производителя, начинается крепление элементов к основанию.

Расчет количества элементов

Чтобы правильно выполнить расчет, надо разработать проект будущей системы. Для этого потребуется значение:

• полная сумма электроэнергии, которую вы потребляете;
• полное значение мощности панелей;
• число панелей;
• аккумуляторная емкость.

Уровень энергопотребления

Правильность и стабильность работы системы зависит от правильности подключения. Гибкая солнечная батарея подключается к аккумулятору через контроллер. При этом необходимо соблюдать полярность. Ток от аккумулятора должен сначала поступить на инвертор, а затем на электроприборы.

При определении суммарного уровня потребления электроэнергии учитываются все электроприборы, которые есть в доме и в теории могут использоваться одновременно. Найти актуальное значение мощности конкретного устройства можно в документах либо на корпусе. Учитывается не только мощность электроприборов, но и осветительных устройств. Если в люстре несколько лампочек, учитываются затраты энергии, необходимой для работы каждой.

После того, как суммарная мощность будет найдена, выбирается инвертор. Он необходим для преобразования постоянного тока в переменный с заданной частотой. При выборе инвертора обязательно предусматривается запас по мощности минимум 0.5 кВт.

Емкость аккумулятора

Далее подбирается аккумуляторная батарея, основным показателем для которых является емкость. Она показывает, силу тока, который будет подаваться в течение часа при заданном напряжении. Для ориентировочного расчета данного параметра суммарная мощность делится на выходное напряжение.

Найденное значение является приблизительным, так как большинство батарей нельзя полностью разряжать. Это может стать причиной непродолжительного срока службы аккумулятора. В некоторых устройствах минимальный уровень заряда не должен опускаться ниже 40 %. Это обязательно учитывается при расчете путем введения в состав формулы поправочного коэффициента. При расчете суммарную мощность делят на значение выходного напряжения, умноженного на 0.4.

Количество панелей

При расчете требуемого количества панелей учитывается мощность выбранных моделей и регион, в котором они будут устанавливаться. Желательно найти величину дневного света для конкретной местности. Для расчета потребуется минимальное годовое значение, соответствующее значению солнечной радиации в регионе в конце декабря. Его можно найти в справочной литературе.

Исходя из найденного значения, определяется уровень инсоляции. Он позволит определить, какое количество киловатт сможет выработать один квадрат батареи в декабре. Для этого показатель умножается на количество дней в месяце. Обычно берется 31 день. Так, для Сочи – 1.25×31=38.75 кВт/м², а для Москвы значение будет равно 0.33×31=10.23 кВт/м².

Зная суточное потребление электроприборов, можно определить, какой объем энергии нужен на месяц. Так, если все приборы в доме потребляют 750 Вт, то в месяц потребуется около 25 кВт. Надо обязательно предусмотреть небольшой запас по мощности на случай, если придется пользоваться какими-то другими электроприборами либо имеющиеся будут заменены на более мощные. Так, расчетное значение в 25 кВт можно смело округлять до 30 кВт.

Зная требуемую мощность и уровень инсоляции, определяется мощность, приходящаяся на 1 пикочас. Для столичного региона при потребляемой мощности в 30 кВт она составит 30/10.23 = 2.93 кВт. После этого можно рассчитать требуемое количество панелей. Для этого найденное значение делится на мощность одного элемента. Так, если одна гибкая солнечная панель имеет мощность 0.15 кВт, для выработки достаточной мощность потребуется 2.93/0.15= 20 штук. Если батарею планируется брать с собой в туристические походы, для обеспечения работоспособности ноутбука потребуется одна панель с мощностью минимум 15 Вт.

При выборе модели стоит обратить внимание не только на мощность изделия, но и на его вес. Для монтажа на крышу можно выбирать изделия потяжелее, для туристических походов — полегче.

Материал элементов может отличаться. Если их планируется эксплуатировать в северном регионе, предпочтительны гелиопанели из текстурированного стекла. Если количество солнечных дней ограничено, стоит обратить внимание на изделия из микроморфного кремния.

Монтажные работы

Монтажные работы могут быть выполнены самостоятельно. Для этого сначала выбирается наиболее подходящее место для монтажа. Кроме крыши задания для размещения панелей можно выбрать:

• фасад дома;
• конструкцию, устанавливаемую отдельно от здания;
• комбинированный вариант.

Монтаж на крыше получил наибольшее распространение. Однако не всегда конфигурация кровли позволяет эффективно разместить систему. В этом случае можно смонтировать дополнительный каркас специально для размещения батареи. Это увеличит затраты на выполнение монтажных работ. Однако, если крыша является труднодоступной или затененной, такой вариант является оптимальным.

К монтажу на фасаде прибегают в том случае, если, на крыше не хватает места. В этом случае панели не только вырабатывают необходимое для функционирования строения количество электроэнергии, но и позволяют украсить дом. Если такой вариант неприемлем, устанавливают отдельную конструкцию, выбирая для ее размещения хорошо освещаемую площадку.

В некоторых ситуациях прибегают к комбинированному варианту, располагая элементы одновременно на нескольких поверхностях. В этом случае удается максимально повысить эффективность смонтированной системы.

После того, как будет выбрано место для размещения конструкции, прибегают к непосредственному монтажу. Каждая гибкая солнечная панель на обратной стороне имеет липкий смолянистый слой, позволяющий надежно зафиксировать элемент на основании без использования специализированного инструмента.

Монтажные работы выполняются в следующей последовательности:

• основание моется и очищается от грязи и пыли, чтобы обеспечить плотное прилегание к основе;
• с обратно стороны панели снимается защитный слой;
• элементы приклеивается к выбранному основанию.

Если работы будут выполняться на крыше, стоит позаботиться о безопасности, чтобы избежать возможного травматизма. Также важно придерживаться выбранной схемы подключения, чтобы обеспечить достаточную эффективность смонтированной системы. У каждого модуля есть два кабеля, выведенных с одной стороны. Каждую панель располагают таким образом, чтобы их можно было последовательно соединить между собой одной шиной.

Особенности ухода

Чтобы система работала эффективно, в процессе эксплуатации за ней надо правильно ухаживать. Для этого следует своевременно очищать поверхность от пыли, грязи, следов жизнедеятельности птиц. Любой слой на поверхности модулей способен существенно сократить производительность системы в целом, так как в этом случае уровень поглощения фотоэлементами солнечного света существенно снижается.

Удалить скопившиеся загрязнения только одной водой не всегда представляется возможным. В таком случае для удаления грязи с батареи, основу которой составляет аморфный кремний, используют влажную губку либо тряпку из микрофибры. Высокая стойкость к воздействию воды позволяет их постоянно мыть.

В зимний период с поверхности элементов надо систематически удалять снег. В противном случае они просто не будут функционировать. Удалять снежный покров следует аккуратно, оказывая минимальное механическое воздействие, чтобы не повредить поверхность.

Учитывая, что при сильном загрязнении производительность конструкции значительно уменьшается, и требуется удаление загрязнений, при выборе места для размещения системы, следует предусмотреть мероприятия по ее обслуживанию. Именно по этой причине от установки модулей на сложной кровле чаще всего отказывается. Если другой вариант монтажа не подходит, для очистки панелей в труднодоступных местах привлекают специалистов.

Видео по теме

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Pinterest

Хорошая реклама

преобразование энергии в электрическую в пасмурную и хорошую погоду

До недавнего времени идея обеспечить свой дом автономным источником электрического питания казалась чем-то фантастическим и нереальным. В наши дни такая возможность появилась благодаря разработанным учеными и конструкторами специальным фотопластинам, которые лежат в основе принципа работы солнечной батареи. В Европе многие владельцы частных домов уже установили подобное оборудование и даже продают излишки полученной энергии. Такие устройства применимы в регионах, где очень много солнечных дней.

Важная информация о технологии

Если детально рассматривать солнечную батарею, принцип работы понять несложно. Отдельные участки фотопластины меняют проводимость на отдельных участках под воздействием ультрафиолетового излучения.

В результате происходит преобразование солнечной энергии в электрическую, которую можно сразу использовать для электроприборов, или же накапливать на съёмных автономных носителях.

Чтобы более подробно понять такой процесс, нужно оценить несколько важных аспектов:

1. Солнечная батарея — это специальная система фотоэлектрических преобразователей, которые образуют общую конструкцию и соединены в определенной последовательности.
2. В структуре фотопреобразователей находится два слоя, которые могут отличаться типом проводимости.
3. Для изготовления этих преобразователей используют кремниевые пластины.
4. Также к кремнию добавляется фосфор в слое n -типа, что вызывает появление избытка электронов с отрицательно заряженным показателем.
5. Слой р-типа изготовляют из кремния и бора, что приводит к образованию так называемых «дыр».
6. В конечном итоге оба слоя располагаются между электродами с разным зарядом.

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Pinterest

Хорошая реклама

преобразование энергии в электрическую в пасмурную и хорошую погоду

До недавнего времени идея обеспечить свой дом автономным источником электрического питания казалась чем-то фантастическим и нереальным. В наши дни такая возможность появилась благодаря разработанным учеными и конструкторами специальным фотопластинам, которые лежат в основе принципа работы солнечной батареи. В Европе многие владельцы частных домов уже установили подобное оборудование и даже продают излишки полученной энергии. Такие устройства применимы в регионах, где очень много солнечных дней.

Важная информация о технологии

Если детально рассматривать солнечную батарею, принцип работы понять несложно. Отдельные участки фотопластины меняют проводимость на отдельных участках под воздействием ультрафиолетового излучения.

В результате происходит преобразование солнечной энергии в электрическую, которую можно сразу использовать для электроприборов, или же накапливать на съёмных автономных носителях.

Чтобы более подробно понять такой процесс, нужно оценить несколько важных аспектов:

1. Солнечная батарея — это специальная система фотоэлектрических преобразователей, которые образуют общую конструкцию и соединены в определенной последовательности.
2. В структуре фотопреобразователей находится два слоя, которые могут отличаться типом проводимости.
3. Для изготовления этих преобразователей используют кремниевые пластины.
4. Также к кремнию добавляется фосфор в слое n -типа, что вызывает появление избытка электронов с отрицательно заряженным показателем.
5. Слой р-типа изготовляют из кремния и бора, что приводит к образованию так называемых «дыр».
6. В конечном итоге оба слоя располагаются между электродами с разным зарядом.

Принцип действия

Эти устройства многие экологи называют источником энергии будущего. Дело в том, что они, если не считать само производство приборов, экологически безопасны.

На панель с отрицательным зарядом воздействует ультрафиолетовый свет, который способствует прогрессивному формированию дополнительных отрицательных электронов и так называемых «дырок». Воздействие электрического поля, находящегося в р- n переходе, начинается разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.

Первые элементы уходят в верхний слой, а вторые — в нижний. В результате образуется разность потенциалов, или постоянное напряжение. Если вкратце описать дальнейший процесс, то здесь фотопреобразователь работает словно батарейка. И как только на него воздействует дополнительная нагрузка, в цепи появляется электрический ток, сила которого зависит от разных факторов, включая:

1. Уровень инсоляции.
2. Размер преобразователя.
3. Тип фотоэлемента.
4. Общее сопротивление электроприборов, которые присоединены к панели.

Виды панелей

В настоящее время распространены разные виды солнечных батарей. В их числе:

1. Поли- и монокристаллические.
2. Аморфные.

Для монокристаллических панелей характерна невысокая продуктивность, однако они стоят относительно недорого, поэтому очень популярны. Если необходимо оборудовать дополнительную систему электропитания для альтернативной подачи тока при отключении основной, то покупка такого варианта вполне оправдана.

Поликристаллы находятся на промежуточной позиции по этим двум параметрам. Такие панели можно использовать для обеспечения централизованной подачи электроэнергии в тех местах, где доступа к стационарной системе по каким-либо причинам нет.

Что касается аморфных панелей, то они демонстрируют максимальную продуктивность работы, но это существенно повышает стоимость оборудования. В устройствах этого типа присутствует аморфный кремний. Стоит отметить, что приобрести их пока нереально, поскольку технология находится на стадии экспериментального применения.

Роль контроллера в батареях

Описанные выше фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии могут быть достойной альтернативой для централизованных систем подачи электрической энергии, при условии, что их перестанут оснащать контроллерами, регулирующими степень заряда оборудования.

Предназначение таких элементов заключается в эффективном перераспределении получаемой энергии и дальнейшем направлении её к источнику потребления. Также эти детали способны сохранять полученный запас в аккумуляторе.

Сегодня распространены разные типы контроллеров, которые могут отличаться друг от друга степенью увеличения общей эффективности системы.

Кроме крупных, недешевых панелей в продаже предлагается множество доступных приборов, которые работают по такому же принципу. В последнее время получили популярность так называемые солнечные фонари, которые используются для декоративного освещения в ландшафтном дизайне.

Подобные осветительные приборы работают по тому же принципу: в верхней части размещена фотопластина. На протяжении солнечного дня эта деталь улавливает и преобразует солнечную энергию, которая затем сохраняется в небольшой батарее, размещенной у основания фонарика. Прибор расходует энергию в ночное время суток.

Аморфные кремниевые панели

Изделия аморфного типа, изготовленные из кремния, получают широкое распространение. В каждой панели есть пластины из стека, пластика или же фольги, на которые нанесен слой кремния, который создаются с помощью технологии напыления частиц в вакуумной среде.

Коэффициент полезного действия намного ниже, чем у остальных типов, т. к. он составляет всего лишь 6 процентов. К тому же кремниевые слои способны выгорать на солнце и уже через шесть месяцев эксплуатации терять эффективность. В конечном итоге она падает на 15, а иногда и на 20 процентов. Срок службы подобных приборов ограничивается двумя годами.

У подобных батарей есть определенные плюсы, которые делают их очень популярными:

1. Системы способны работать даже в пасмурную погоду.
2. Их стоимость на фоне модернизированных изделий более привлекательна.

В последнее время популярность стремительно набирают гибридные фотопреобразователи. В их основе — микрокристаллы, которые размещены на аморфном кремнии. По принципу действия эти панели сходны с поликристаллическими, отличаясь лишь более высокими мощностями вырабатываемого тока при воздействии рассеянного солнечного света, например, в пасмурную погоду или на рассвете.

К тому же их можно использовать не только под прямым ультрафиолетовым излучением, но и в инфракрасном диапазоне.

Пленочные полимерные преобразователи

Считаются достойной альтернативой для кремниевых изделий и заслуживают лидирующей позиции в списке самых продуктивных панелей на рынке. Уже из названия понятно, что такие батареи — это пленка, состоящая из нескольких слоев. Это сетка алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, органическая подложка и защитная пленка.

Фотоэлементы соединены воедино и формируют пленочную солнечную батарею рулонного типа. В процессе производства выполняется многослойное нанесение на пленку фотоэлемента.

Такие приборы обладают небольшим весом и компактнее классическим кремниевых моделей. Для изготовления не нужно использовать дорогие материалы, а сам производственный процесс гораздо дешевле. В результате рулонные панели более востребованы из-за своей дешевизны.

Однако простой принцип действия существенно снижает показатели коэффициента полезного действия, поэтому он составляет всего лишь 6 процентов. Из минусов также отмечается лишь небольшая распространённость, т. к. модели пока находятся на стадии экспериментирования и практически не доступны для общего пользования.

Среди весомых преимуществ технологии — возможность изменять размер батареи, подгоняя его под любые параметры. Как считают эксперты, вскоре такие изобретения станут очень популярными, поэтому компании смогут запустить производство в больших масштабах.

Обустройство системы отопления

В настоящее время набирает популярность инновационные отопительные системы, работающие на основе солнечных преобразователей. Это самостоятельные устройства с уникальными конструктивными и техническими параметрами, отличающимися от солнечных батарей.

В качестве основного рабочего элемента для отопительных систем используется коллектор, который принимает солнечный свет и автоматически преобразовывает его в кинетическое электричество. Площадь такой части варьируется от 30 до 70 квадратных метров. Чтобы зафиксировать коллектор нужно применять дополнительную технику, а для соединения пластин между собой используются металлические контакты.

Следующий компонент системы солнечного отопления — накопительный бойлер. Он обеспечивает эффективную трансформацию кинетической энергии в тепловую, и вызывает нагревание жидкости, объёмом до 300 литров. В некоторых случаях для поддержания оптимальной температуры воды используются дополнительные котлы на сухом топливе.

Завершающим узлом подобной системы являются напольные и настенные элементы, где по медным трубам циркулирует подогретая вода. За счёт низкой температуры запуска батарей и равномерной теплоотдачи, прогрев помещения осуществляется достаточно быстро.

Чтобы понять, как работают системы отопления дома на солнечных панелях, необходимо более подробно рассмотреть принцип их действия.

Между температурными показателями коллектора и накопительного элемента формируется определенная разница. Теплоноситель, в роли которого используется вода с антифризом, стремительно циркулирует по системе, в результате чего образуется кинетическая энергия.

После прохождения жидкости через отдельные слои системы, полученная энергия становится теплом, которое и обогревает помещение. Из-за таких особенностей в доме всегда сохраняется оптимальный температурный диапазон независимо от времени суток и года. Кстати, рынок таких систем постоянно расширяется, поэтому в ближайшем будущем они будут доступны для каждой среднестатистической семьи.

Как работают гелиосистемы

Однако мощности одного фотоэлемента не хватает, для обеспечения большинства хозяйственных нужд, т. к. даже при продолжительном световом дне он не способен выдавать необходимое количество электрической энергии. Потому для повышения выходной мощности используют несколько фотопреобразователей, которые объединяются друг с другом по параллельной схеме. В результате происходит регулярное увеличение постоянного напряжения. В свою очередь, силу тока повышают последовательным образом.

Продуктивность работы солнечных панелей зависит от некоторых факторов:

1. От температуры воздуха и самой панели.
2. От правильно выбора адекватного сопротивления нагрузки.
3. От угла падения ультрафиолетовых лучей.
4. От наличия или отсутствия антибликовых покрытий.
5. От мощности светового излучения.

Важно понимать, что чем ниже показатели внешней температуры воздуха, тем лучше будет работать фотоэлемент и гелиобатарея в целом. Здесь всё объясняется простым принципом. А вот что касается расчёта нагрузки, то в данном случае ситуация выглядит сложнее. Эти показатели подбираются с учётом выдаваемого тока, но его величина способна меняться в зависимости от погодных условий.

Вести ручной мониторинг изменяющихся параметров батареи и постоянно подстраивать их проблематично. Вместо этого, целесообразно оборудовать систему автоматическим контроллером, который будет в автоматическом режиме изменять параметры гелиопанели, стремясь достичь максимальной продуктивности работы и оптимальных конфигураций.

Наукой доказано, что идеальный угол падения ультрафиолетовых лучей на гелиобатареию — прямой. Но если замечается отклонение в радиусе 30 градусов, серьезных потерь не ожидается, ведь эффективность снижается лишь на 5−10 процентов. Если же угол продолжает меняться, КПД ФЭП существенно упадёт.

Теперь вам известно, как работают разные типы солнечных батарей, которые стремительно превращаются из предмета роскоши в необходимую часть современной жизни.

солнечные батареи

Виды солнечных батарей: кремние, полмерные, аморфные

На вопрос «Что входит в состав системы электроснабжения, питающейся от солнечной энергии?», первое, что хочется ответить – это солнечные батареи. И это, безусловно, окажется правильным ответом. Конечно, подобная система включает в себя не только солнечные панели, туда также входят аккумуляторы, преимущественно гелевые (подробнее здесь), инверторы, контроллеры и другие устройства, каждое из которых выполняет свою функцию. Но солнечная панель – это тот элемент, с которого начинается весь процесс накопления и преобразования солнечной энергии. Вот только выбирая этот незаменимый элемент солнечной системы, каждый покупатель обязательно столкнется с проблемой выбора — «потеряться» в многообразии типов солнечных батарей несложно. Поэтому сегодняшнюю статью мы решили посвятить такой актуальной теме, как виды солнечных батарей.

Сегодня на рынке солнечных модулей представлено несколько различных образцов. Отличаются они друг от друга технологией изготовления и материалами, из которых их производят. На рисунке ниже приведена классификация солнечных батарей.

Солнечные батареи на основе кремния

Батареи, основой которым служит кремний, на сегодняшний день являются самыми популярными. Объясняется это широким распространением кремния в земной коре, его относительной дешевизной и высоким показателем производительности, в сравнении с другими видами солнечных батарей. Как видно из рисунка выше кремниевые батареи производят из моно- и поликристаллов Si и аморфного кремния.

Монокристаллические солнечные батареи представляют собой силиконовые ячейки, объединенные между собой. Для их изготовления используют максимально чистый кремний, получаемый по методу Чохральского. После затвердевания готовый монокристалл разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые пронизывают сеткой из металлических электродов (рис. нарезка). Используемая технология является сравнительно дорогостоящей, поэтому и стоят монокристаллические батареи дороже, чем поликристаллические или аморфные. Выбирают данный вид солнечных батарей за высокий показатель КПД (порядка 17-22%).

Для получения поликристаллов кремниевый расплав подвергается медленному охлаждению. Такая технология требует меньших энергозатрат, следовательно, и себестоимость кремния, полученного с ее помощью меньше. Единственный минус: поликристаллические солнечные батареи имеют более низкий КПД (12-18%), чем их моно «конкурент». Причина заключается в том, что внутри поликристалла образуются области с зернистыми границами, которые и приводят к уменьшению эффективности элементов.

В таблице 1 приведены основные различия между моно и поли солнечными элементами.

Таблица 1

Батареи из аморфного кремния

Если проводить деление в зависимости от используемого материала, то аморфные батареи относятся к кремниевым, а если в зависимости от технологии производства – к пленочным. В случае изготовления аморфных панелей, используется не кристаллический кремний, а силан или кремневодород, который тонким слоем наносится на материал подложки. КПД таких батарей составляет всего 5-6%, у них очень низкий показатель эффективности, но, несмотря на эти недостатки, они имеют и ряд достоинств:

• Показатель оптического поглощения в 20 раз выше, чем у поли- и монокристаллов.
• Толщина элементов меньше 1 мкм.
• В сравнении с поли- и монокристаллами имеет более высокую производительность при пасмурной погоде.
• Повышенная гибкость.

Помимо описанных выше видов кремниевых солнечных батарей, существуют и их гибриды. Так для большей стабильности элементов используют двухфазный материал, представляющий собой аморфный кремний с включениями нано- или микрокристаллов. По свойствам полученный материал сходен с поликристаллическим кремнием.

Из чего делают пленочные батареи?

Разработка пленочных батарей обусловлена:

1. Потребностями в снижении стоимости солнечных батарей.
2. Необходимостью в улучшении производительности и технических характеристик.

На основе CdTe

Исследования теллурида кадмия, как светопоглощающего материала для солнечных батарей начались еще в 70-х годах. В то время его рассматривали как один из оптимальных вариантов для использования в космосе, сегодня же батареи на основе CdTe являются одними из самых перспективных в земной солнечной энергетике. Так как кадмий является кумулятивным ядом, то дискуссии возникают лишь по одному вопросу: токсичен или нет? Но исследования показывают, что уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу, ничтожно мал, и опасаться его вреда не стоит. Значение КПД составляет порядка 11%. Согласитесь, цифра небольшая, зато стоимость ватта мощности таких батарей на 20-30% меньше, чем у кремниевых.

На основе селенида меди-индия

Как понятно из названия, в качестве полупроводников используются медь, индий и селен, иногда некоторые элементы индия замещают галлием. Такая практика объясняется тем, что большая часть производящегося на сегодня индия требуется для производства плоских мониторов. Именно поэтому с целью экономии индий замещают на галлий, который обладает схожими свойствами. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%. Следует иметь в виду, что без использования галлия эффективность солнечных батарей возрастает примерно на 14%.

На основе полимеров

Разработка данного вида батарей началась сравнительно недавно. В качестве светопоглощающих материалов используются органические полупроводники, такие как полифенилен, углеродные фуллерены, фталоцианин меди и другие. Толщина пленок составляет 100 нм. Полимерные солнечные батареи имеют на сегодняшний день КПД всего 5-6%. Но их главными достоинствами считаются:

• Низкая стоимость производства.
• Легкость и доступность.
• Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Применяются полимерные батареи в областях, где наибольшее значение имеет механическая эластичность и экологичность утилизации.
В таблице 2 приведены обобщенные данные о КПД разных видов солнечных батарей.

Таблица 2

Надеемся, что теперь Вы ясно представляете себе, из чего делают поли- и монокристаллические, пленочные, полимерные солнечные батареи и другие. Эта информация поможет Вам сделать правильный выбор при покупке солнечных модулей. Ведь система энергопотребления, основанная на солнечной энергии, является долговременной инвестицией. Переходя на альтернативные, в частности, солнечные источники энергии, Вы не только снижаете свои затраты на потребляемые энергоресурсы, но и делаете ощутимый вклад в чистоту окружающей нас среды.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Что такое гибкие солнечные панели и где они используются. Жми!

Бесплатная электрическая энергия, или хотя бы дешёвая – вот мечта чуть ли не каждого человека на нашей планете. Как бы не дешевела нефть, какие запасы газа ни использовались и насколько страны ни гордились своими мощными АЭС, обыкновенному обывателю о дешёвом электричестве остаётся только грезить. Альтернативные источники постепенно начинают отстранять государственные службы от монополии на энергетику.

Уже никого не удивляет ветряк, расположенный в соседнем дворе, крыши домов начинают покрываться панелями солнечных батарей. Как считают учёные, именно на использование солнечных лучей сейчас делается наибольшая ставка. С каждым днём источники солнечной энергии находят всё новое применение. И также быстро они меняют свой вид. Теперь в моде гибкие солнечные батареи, о которых и пойдет речь в нашей статье.

Как работают гибкие батареи на солнечной энергии

Получение энергии от солнечных лучей уже давно знакомо человеку. Но если ещё лет 30 назад такой привилегией могла похвастаться лишь космонавтика, то теперь от Солнца работают многие бытовые предметы. Взять хотя бы обыкновенный калькулятор. Принцип довольно прост. Лучи нагревают полупроводник, чаще всего кремний, и заставляют его электроны двигаться в определённом направлении. Остаётся только припаять проводки к обеим сторонам элемента, собрать несколько штук в батарею и портативная солнечная электростанция готова.

Первые солнечные батареи имели низкий КПД, представляли собой громоздкие и тяжёлые конструкции. Сегодня эти изделия намного легче, для выработки электричества не требуется максимальная освещённость. Появление гибких солнечных батарей в корне меняет отношение к этому вечному источнику бесплатной электроэнергии.

Гибкая солнечная батарея

Конструкция гибкой батареи существенно отличается от своего кремниевого прототипа. В основе новых источников используются полимеры, представляющие мягкие панели, которые придают изделиям потрясающую гибкость. Активными элементами являются электроды из алюминия.

Если всю поверхность, заполненную активными элементами, покрыть защитной плёнкой, то солнечная батарея готова (о видах солнечных батарей вы можете узнать из этой статьи). Хотя, только идут исследования по этому виду альтернативного источника питания, гибкие солнечные батареи уже нашли себе большой простор для применения и отличились рядом достоинств:

• гибкая основа;
• лёгкая конструкция;
• компактность;
• низкая стоимость производства;
• не подвержены влиянию окружающей среды;
• экологичность.

Главным и существенным минусом солнечных батарей на полимерной основе является малый коэффициент полезного действия. Наилучшие варианты, полученные в США, достигли 6,5%. По последним данным, немецким специалистам удалось разработать источники, дающие до 10%. Это, конечно, мало, но всё же…

Большое будущее

После того, как полимерные солнечные батареи были поставлены на поток, они всё чаще появляются в самых разных областях жизнедеятельности человека.

Современные батареи не только легко изгибаются в любом направлении, их можно разделить на части при помощи обыкновенного ножа.
Первые варианты батарей быстро стали применяться в обшивке домов. Из гибких солнечных батарей можно получить конструкцию практически любой формы. Если раньше, для установки панелей требовалась идеально ровная крыша, то сейчас полимер можно изогнуть в любом порядке. Даже получить волну не хуже, чем у шифера.

Электроэнергия – это то, чего так недостаёт путешественнику. Для туризма разработано немало устройств, способных вырабатывать ценные вольты вдали от цивилизации. Гибкая батарея, в свёрнутом виде, не занимает много места в дорожном рюкзаке. Вес совершенно ничтожен. Для приведения в действие нужны секунды. А питания вполне достаточно, чтобы подключить приёмник или зарядить аккумулятор сотового телефона.

Планируется даже пошив одежды из гибких солнечных батарей. Такой фасон очень подойдёт северянам, которые смогут согреваться без толстых неуклюжих шуб.
Одной из самых интересных разработок являются прозрачные гибкие солнечные панели. Эти источники энергии будут использоваться вместо стёкол в домах, что позволит получать максимально эффективную площадь, освещаемую солнцем.

Powerfilm: на шаг впереди

Эта компания является одной из лучших производителей зарядных устройств, работающих от солнечной энергии. Именно в её продукции максимально эффективно используются гибкие солнечные батареи.

Сейчас компания выпускает целый спектр устройств, которые способны возродить к жизни не только обыкновенный фонарик, но и осветить небольшой частный домик или палаточный городок. Но основным назначением на этот момент остаются зарядки для мобильных устройств.

Если раньше таких зарядок хватало на несколько минут телефонного разговора, то сейчас зарядные устройства PowerFilm Solar в состоянии поддерживать работоспособность ноутбука.

Батареи PowerFilm уже способны вырабатывать энергию, мощностью до 3 кВт.

За солнечной энергией стоит большое будущее, смотрите видео об этом:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Полимерный солнечный элемент

Полимерный солнечный элемент — это тип органического солнечного элемента: он вырабатывает электричество из солнечного света. Это относительно новая технология, они исследуются университетами, национальными лабораториями и несколькими компаниями по всему миру.

Физика устройства

Следующее обсуждение основано в первую очередь на обзоре Майера и др., Цитируемом ниже. Органические фотоэлектрические элементы состоят из электронодонорных и электроноакцепторных материалов, а не из полупроводниковых p-n-переходов.Молекулы, образующие электронодонорную область органических фотоэлементов, где генерируются экситонные электронно-дырочные пары, обычно представляют собой сопряженные полимеры, обладающие делокализованными π-электронами, которые возникают в результате углеродной p-орбитальной гибридизации. Эти π-электроны могут быть возбуждены светом в видимой части спектра или около нее от самой высокой занятой молекулярной орбитали молекулы (HOMO) до самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO), обозначенной π -π * переходом. Энергетический зазор между этими орбиталями определяет, какие длины волн света могут поглощаться.

В отличие от неорганического кристаллического фотоэлектрического материала с его зонной структурой и делокализованными электронами, экситоны в органических фотоэлектрических элементах прочно связаны с энергией от 0,1 до 1,4 эВ. Это сильное связывание происходит из-за того, что электронные волновые функции в органических молекулах более локализованы, и электростатическое притяжение может, таким образом, удерживать электрон и дырку вместе как экситон. Электрон и дырка могут быть диссоциированы, обеспечивая границу раздела, на которой химический потенциал электронов уменьшается.Материал, поглотивший фотон, является донором, а материал, поглощающий электрон, называется акцептором. На рис. 2 полимерная цепь является донором, а фуллерен — акцептором. После того, как диссоциация произошла, электрон и дырка все еще могут быть соединены как геминальная пара, и тогда для их разделения требуется электрическое поле.

После диссоциации экситона электрон и дырка должны собираться на контактах. Однако подвижность носителей заряда теперь начинает играть важную роль: если подвижность недостаточно высока, носители не достигнут контактов, а вместо этого рекомбинируют в местах захвата или остаются в устройстве в виде нежелательных пространственных зарядов, которые препятствуют дрейфу новых перевозчики.Последняя проблема может возникнуть, если подвижности электронов и дырок сильно несбалансированы, так что один вид гораздо более подвижен, чем другой. В этом случае фототок с ограничением объемного заряда (SCLP) снижает производительность устройства.

В качестве примера процессов, связанных с работой устройства, органические фотоэлектрические элементы могут быть изготовлены с активным полимером и акцептором электронов на основе фуллерена. Освещение этой системы видимым светом приводит к переносу электрона от полимерной цепи к молекуле фуллерена.В результате на полимерной цепи происходит образование фотоиндуцированной квазичастицы или полярона (P ⁺ ), и фуллерен становится ион-радикалом C _{60 ^— Поляроны очень подвижны по длине полимерной цепи. и может рассеиваться. И полярон, и ион-радикал обладают спином «S» = 1/2, поэтому процессы фотоиндукции и разделения заряда можно контролировать с помощью метода электронного парамагнитного резонанса.}

Архитектуры

Этот раздел во многом заимствован из обзора Майера, ссылка на который приведена ниже.Простейшей архитектурой, которую можно использовать для органического фотоэлектрического устройства, является планарный гетеропереход, показанный на рис. 1. Пленка активного полимера (донор) и пленка акцептора электронов зажаты между контактами в плоской конфигурации. Экситоны, созданные в донорной области, могут диффундировать к переходу и разделяться, при этом дырка остается позади, а электрон переходит в акцептор. Однако планарные гетеропереходы по своей сути неэффективны; Поскольку носители заряда в типичных органических полупроводниках имеют диффузионную длину всего 3-10 нм, планарные ячейки должны быть тонкими, чтобы обеспечить успешную диффузию к контактам, но чем тоньше ячейка, тем меньше света она может поглотить.

Объемные гетеропереходы (BHJ) устраняют этот недостаток. В BHJ материалы донора и акцептора электронов смешиваются и отливаются как смесь, которая затем разделяется на фазы. Области каждого материала в устройстве разделены всего на несколько нанометров, расстояние, оптимизированное для диффузии носителей. Хотя устройства, основанные на BHJ, являются значительным улучшением по сравнению с планарными конструкциями, BHJ требуют чувствительного контроля над морфологией материалов в наномасштабе. Большое количество переменных, включая выбор материалов, растворителей и весового соотношения донор-акцептор, может существенно повлиять на структуру BHJ, которая в результате получается.Эти факторы могут затруднить рациональную оптимизацию BHJ.

Следующим логическим шагом за пределами BHJ являются упорядоченные наноматериалы для солнечных элементов или упорядоченные гетеропереходы (OHJ). Эта парадигма устраняет большую часть изменчивости, связанной с BHJ. OHJ обычно представляют собой гибриды упорядоченных неорганических материалов и органических активных областей. Например, фотоэлектрический полимер может быть нанесен на поры керамики, такой как TiO ₂ . Отверстия по-прежнему должны диффундировать по длине поры через полимер к контакту, поэтому OHJ действительно имеют ограничения по толщине.Таким образом, устранение узкого места, связанного с подвижностью отверстий, будет ключом к дальнейшему повышению производительности устройства OHJ, но контроль морфологии внутри поры является сложной задачей.

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) использовали «нанопровода» для повышения эффективности органических солнечных элементов [ http://ucsdnews.ucsd.edu/newsrel/science/05-08Nanowires.asp ] .

Заключение

На данный момент остается открытым вопрос, в какой степени полимерные солнечные элементы могут коммерчески конкурировать с кремниевыми солнечными элементами.Индустрия кремниевых солнечных элементов имеет важное промышленное преимущество, заключающееся в возможности использовать инфраструктуру, разработанную для компьютерной индустрии. Кроме того, нынешняя эффективность полимерных солнечных элементов составляет около 5 процентов, что намного ниже, чем у кремниевых элементов. Полимерные солнечные элементы также страдают от ухудшения состояния окружающей среды. Хорошие защитные покрытия еще предстоит разработать.

Тем не менее, органические фотоэлектрические устройства демонстрируют большие перспективы снижения стоимости солнечной энергии до такой степени, что в ближайшие десятилетия она может стать широко распространенной.Несмотря на то, что за последние десять лет был достигнут большой прогресс в понимании химии, физики и материаловедения органических фотовольтаиков, еще предстоит проделать работу по дальнейшему улучшению их характеристик. В частности, новые наноструктуры должны быть оптимизированы, чтобы способствовать диффузии носителей заряда; транспорт должен быть улучшен за счет контроля порядка и морфологии; а разработка интерфейсов должна применяться к проблеме передачи заряда через интерфейсы. Новый молекулярный химический состав и материалы дают надежду на революционные, а не на эволюционные прорывы в эффективности устройств в будущем.

Прочие солнечные элементы третьего поколения

* Фотоэлектрохимический элемент
* Нанокристаллический солнечный элемент
* Гибридный солнечный элемент
* Сенсибилизированный красителем солнечный элемент

Ссылки

1. N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger, F. Вудл, Фотоиндуцированный перенос электронов с проводящих полимеров на бакминстерфуллерен, Science 258, (1992) 1474
2. N..S. Саричифтчи, А.Дж. Heeger, Фотофизика, разделение зарядов и устройства сопряженных полимеров / фуллереновых композитов, в «Справочнике по органическим проводящим молекулам и полимерам» под редакцией Х.S.Nalwa, 1 , Wiley, Chichester, New York, 1997, гл. 8, п. 413-455
3. «Пластиковые солнечные элементы» Кристоф Дж. Брабек, Н. Сердар Сарицифтци, Ян Кес Хуммелен, Advanced Functional Materials, Vol. 11 №: 1, стр. 15-26 (2001)
4. Органическая фотоэлектрическая энергия », Кристоф Брабек, Владимир Дьяконов, Юрген Паризи и Ниязи Сердар Сарицифтчи (ред.), Springer Verlag (2003) ISBN: 3-540-00405
5. «Органическая фотоэлектрическая энергия: механизмы, материалы и устройства (оптическая инженерия)», (Сам-Шаджинг Сан и Ниязи Сердар Сарицифтчи (ред.), CRC Press (Taylor & Francis Group) ISBN: 0-8247-5963-X, Boca Raton, 2005
6. A. Mayer, S. Scully, B. Hardin, M. Rowell, M. McGehee, Солнечные элементы на основе полимеров, Материалы сегодня 10, (2007) 28

Внешние ссылки

* [ http://search.nrel.gov/query.html?qm=1&charset=utf-8&style=eere&col=eren&qc=eren&ht=815081754&ct = 345728017 Отчеты NREL ]
* [ http://www.lios.at/ LIOS — Linzer Institut für Organische Solarzellen, Johannes Kepler Universität Linz, Österreich ]
* [ http: // www.quantsol.unibe.ch/%5Cpub%5Cpub_11.htm Quantsol 1998 ]
* [ http://www.konarka.com/ Konarka ]
* [ http: //www.composite-agency .com / messages / 4454.html Обсуждение материалов на основе полимеров для солнечных элементов ]

Фонд Викимедиа.
2010.

Границы | Полимерные солнечные элементы — межфазные процессы, связанные с проблемами производительности

Введение

Солнечные элементы на основе полимеров были предметом более целенаправленных и непрерывных исследований с последнего десятилетия, в результате которых их эффективность преобразования энергии резко выросла с 6% до 17% менее чем за десять лет, как показано в таблице 1 ( Dam et al., 1999; Winder and Sariciftci, 2004; Мюльбахер и др., 2006; Vanlaeke et al., 2006; Hou et al., 2008; Йоргенсен и др., 2008; Park et al., 2009; Норрман и др., 2010; Цай и др., 2010; Чу и др., 2011; Альбрехт и др., 2012; He et al., 2012, 2015; Ли и др., 2012, 2018; Лу и др., 2013; You et al., 2013; Zhang et al., 2013; Чжоу и др., 2013, 2015; Chi et al., 2014; Лю и др., 2014b; Лю С. и др., 2015; Meng et al., 2018). Такое замечательное достижение стало возможным только с появлением новых материалов, включая полимеры с малой шириной запрещенной зоны и новые производные фуллерена (Spanggaard and Krebs, 2004; Brabec et al., 2005; Бундгаард и Кребс, 2007; Rand et al., 2007; Kroon et al., 2008) и других акцепторных молекул (Li et al., 2018; Meng et al., 2018), улучшая свойства существующих материалов, такие как растворимость и запрещенная зона фуллеренов (Spanggaard and Krebs, 2004; Krebs, 2005; Shaheen et al., 2005), успехи в архитектуре устройства (Coakley and McGehee, 2004; Janssen et al., 2005), добавление новых буферных слоев в традиционную архитектуру и принятие новых подходов к термическому отжигу и отжигу растворителем. (Coakley et al., 2005; Mayer et al., 2007) и др. Действительно, проблема более низкой эффективности полимерных солнечных элементов по сравнению с другими органическими или гибридными подходами [такими как элемент Гретцеля (Gratzel, 2005) и органо-неорганические солнечные элементы на перовските (Hu et al., 2017)] была приписана такие факторы, как архитектура устройства, материалы, используемые для изготовления солнечных элементов, и их свойства (молекулярная масса полимера-донора, чистота материалов, выравнивание уровней энергии и ширина запрещенной зоны) (Bundgaard and Krebs, 2007; Rand et al., 2007; Tress et al., 2011), параметры обработки и условия во время изготовления солнечных элементов, такие как условия центрифугирования, используемый растворитель и добавки (Wu et al., 2011), термическая обработка и обработка отжигом растворителем и их продолжительность ( Coakley et al., 2005; Mayer et al., 2007), которые определяют толщину и морфологию различных органических слоев и границ раздела (Matturro et al., 1986; Lögdlund and Brédas, 1994; de Jong et al., 2000; Norrman et al., 2006; Tress et al., 2011; Wu et al., 2011; Gusain et al., 2013). Помимо их эффективности, другими важными аспектами работы устройства являются стабильность и деградация полимерных солнечных элементов во время работы (Norrman et al., 2006). Это также объясняется свойствами материалов, которые делают их склонными к структурным изменениям после реакции с окружающим кислородом и влагой, когда они подвергаются их воздействию (Matturro et al., 1986; Lögdlund and Brédas, 1994; Dam et al., 1999 ; de Jong et al., 2000; Norrman et al., 2006, 2010; Jørgensen et al., 2008).

Таблица 1 . Краткое изложение недавно опубликованных данных об эффективности различных полимерных солнечных элементов BHJ.

Несмотря на то, что были приняты многочисленные подходы к пониманию факторов, лежащих в основе этого недостатка, и были разработаны методы их устранения в ходе исследований по полимерным солнечным элементам, в последнее время становится все более очевидным, что интерфейсы играют решающую роль в производительности устройства. и стабильность (Matturro et al., 1986; Лёгдлунд и Бредас, 1994; Dam et al., 1999; де Йонг и др., 2000; Brabec et al., 2001b, 2005; Coakley and McGehee, 2004; Хоппе и Саричифтчи, 2004; Спанггаард и Кребс, 2004; Winder and Sariciftci, 2004; Coakley et al., 2005; Янссен и др., 2005; Кребс, 2005; Шахин и др., 2005; Мюльбахер и др., 2006; Норрман и др., 2006, 2010; Vanlaeke et al., 2006; Бундгаард и Кребс, 2007; Günes et al., 2007; Ллойд и др., 2007; Mayer et al., 2007; Rand et al., 2007; Hou et al., 2008; Jørgensen et al., 2008; Kroon et al., 2008; Томпсон и Фреше, 2008 г .; Park et al., 2009; Цай и др., 2010; Чу и др., 2011; Tress et al., 2011; Wu et al., 2011; Альбрехт и др., 2012; He et al., 2012, 2015; Ли и др., 2012; Gusain et al., 2013; Лу и др., 2013; You et al., 2013; Zhang et al., 2013; Чжоу и др., 2013, 2015; Chi et al., 2014; Лю и др., 2014b; Лю С. и др., 2015). На самом деле этого следовало ожидать, поскольку эти устройства основаны на сверхтонких многослойных органических пленках, и заряд должен передаваться через множество границ раздела, включая как органические, так и неорганические материалы с самыми разными свойствами.Поэтому презентация обзора, посвященного исключительно межфазным вопросам в солнечных элементах на основе полимеров, становится важной. Фактически, некоторые из этих проблем также будут актуальны и для других органических или гибридных тонкопленочных элементов. Этот обзор начинается с описания базовой физики и архитектуры устройств, используемых в полимерных солнечных элементах, с последующим отчетом о наиболее важных физических явлениях, происходящих на интерфейсах, которые влияют на производительность и стабильность солнечных элементов, описанных на молекулярном уровне и сгруппированных в четыре группы. разделы: (i) генерация заряда и рекомбинация на донорно-акцепторных интерфейсах; (ii) вопрос морфологии поверхности раздела и ее влияние на производительность и стабильность устройства; (iii) формирование барьеров для инжекции и извлечения и их роль в электрических характеристиках ячейки; (iv) подходы, используемые для контроля барьеров, включая использование интерфейсных диполей.

Физика и архитектура основных устройств

Механизм прямого преобразования энергии поглощенного фотона в электрическую энергию возможен только в фотоэлектрическом устройстве, основной принцип которого заключается в полупроводниковом элементе, имеющем электронный зазор, равный или меньший, чем энергия поглощенного фотона ( h ν). Непосредственным следствием этого поглощения является образование пары электрон-дырка; затем под действием внутреннего поля, создаваемого разницей работы выхода электродов, свободные носители заряда проводятся к соответствующим электродам, где они захватываются.В массивном солнечном элементе с гетеропереходом (BHJ) поглощающий компонент представляет собой ультратонкий активный слой, обычно состоящий из сопряженного полимера, смешанного с электроотрицательной молекулой, образующего наноструктурированную смесь. Типичное однопереходное органическое устройство BHJ показано на рисунке 1A и состоит из слоев различных материалов, таких как прозрачный нижний электрод из оксида индия-олова (ITO), слой переноса дырок (HTL), такой как PEDOT: PSS (poly (3 , 4-этилендиокситиофен): полистиролсульфонат), смесь донорного полимера / акцепторной молекулы в качестве активного слоя и верхнего электродного слоя (обычно металлического).Напротив, ячейка BHJ с тандемным переходом, как показано на рисунке 1C, состоит из нескольких стопок однопереходных BHJ, каждый из которых имеет разные комбинации активных слоев донора / акцептора, причем промежуточные слои (IL) служат для согласования переноса заряда между обеими ячейками. .

Рис. 1. (A) Архитектура BHJ с одним переходом. (B) Диаграмма уровней энергии для ячейки BHJ с одним переходом. (C) Тандемная архитектура BHJ. (D) Диаграммы уровней энергии для ячейки BHJ с тандемным переходом.

Диаграмма уровней энергии для солнечного элемента BHJ показана на рисунке 1B. Поскольку фотон падающего света поглощается донорным полимером в активном слое, электрон с самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) донорного полимера возбуждается на его самую низкую незанятую молекулярную орбиталь (НСМО), создавая кулоновски связанный электрон. пара дырок, известная как экситон. Такой экситон диффундирует внутри донорного полимера до тех пор, пока не достигнет границы раздела донор / акцептор, где он диссоциирует за счет энергетически выгодного переноса электронов от LUMO _D донорного полимера к LUMO _A акцептора фуллерена.В этом процессе донорно-акцепторная разность энергий НСМО для электрона теряется на колебания (тепло). Затем электрон переносится через фазу акцептора и через границу раздела акцептор / металлический электрод, в то время как отверстие, оставшееся в HOMO _D донорного полимера, переносится через него, собирается в HTL и транспортируется через электрод HTL / ITO. интерфейс. На каждом интерфейсе смещение энергии теряется на тепло по мере передачи заряда через интерфейс. Следовательно, минимизация этих смещений оказывает прямое влияние на увеличение напряжения холостого хода солнечного элемента и, следовательно, на его эффективность преобразования энергии.Подобный каскад переноса заряда происходит, если свет поглощается в молекуле акцептора, за исключением того, что первая стадия (диссоциация экситона) теперь происходит из-за благоприятного переноса дырок от HOMO _A акцептора к HOMO _D донор.

Основные электрические характеристики фотоэлектрического диода выполняются путем получения кривых зависимости плотности электрического тока от внешнего напряжения (смещения), так называемых кривых J-V. Типичная кривая J-V для солнечного элемента показана на рисунке 2 в темноте (пунктирная линия) и при освещении (сплошная линия).Плотность фототока Дж _ph представляет собой вычитание между двумя кривыми СП (освещенная и темная), которые описываются уравнениями (1, 2), где Дж _o — обратный темновой ток, В, — напряжение смещения, n — добротность диода, k — постоянная Больцмана и T — температура (Sze and Kwok Ng, 2007).

J (V) = Jo [exp (eVnKT) -1] (уравнение Шокли) (1)
J (V) = Jo [exp (eVnKT) -1] + Jph (при освещении) (2)

Рисунок 2.(A) Вольт-амперные характеристики солнечного элемента и фотоэлектрические параметры. (B) Кривая J-V с S-образным перегибом и без него.

Параметры, которые характеризуют солнечные элементы в целом, показаны на рисунке 2: плотность тока короткого замыкания ( Дж, _sc ), напряжение холостого хода ( В, _oc ) и максимальное рабочая мощность ( P, _max ), которые определяют коэффициент заполнения (FF).Напряжение холостого хода определяется как максимальное напряжение, которое получается, когда солнечный элемент не генерирует ток. Точно так же плотность тока короткого замыкания — это максимальная плотность тока, которая получается при отсутствии напряжения на солнечном элементе. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной рабочей мощности ( P _max ) к максимальной извлекаемой мощности идеального солнечного элемента, которая была бы произведением площади устройства A, В _oc и J _sc .Таким образом, эффективность преобразования мощности — это отношение максимальной рабочей мощности P _max к входной мощности падающего света на солнечный элемент. Следовательно, при интенсивности падающего света I _в , FF и эффективность преобразования энергии (η) определяются уравнениями (3, 4).

FF = PmaxAJscVoc (3)
η = JscVocIinFF (4)

Производительность солнечных элементов напрямую зависит от основных свойств материала.Например, образование свободных электронов и дырок зависит от HOMO _D донора и от LUMO _A акцептора, как будет подробно объяснено в разделе «Физические процессы на границе донор / акцептор». Этот энергетический зазор между HOMO _D -LUMO _A (E _{g, DA} на рисунке 1B) также является основным ограничивающим фактором для напряжения холостого хода ( В, _oc ) устройства. Плотность тока короткого замыкания ( Дж, _sc ) зависит от эффективности генерации заряда в смеси донор / акцептор и вероятности того, что эти заряды просачиваются через смесь и собираются электродами.Наконец, третьим важным параметром, непосредственно связанным с эффективностью солнечного элемента, является коэффициент заполнения ( FF ), на который влияют шунт и последовательные сопротивления. Это

Полимерный солнечный элемент — Infogalactic: ядро ​​планетарных знаний

Полимерный солнечный элемент — это тип гибкого солнечного элемента, изготовленного из полимеров, больших молекул с повторяющимися структурными элементами, которые вырабатывают электричество из солнечного света за счет фотоэлектрического эффекта. Полимерные солнечные элементы включают органические солнечные элементы (также называемые «пластиковые солнечные элементы»).Они представляют собой один тип тонкопленочных солнечных элементов, другие включают более стабильные солнечные элементы из аморфного кремния.

Большинство коммерческих солнечных элементов изготавливаются из очищенного кристалла кремния высокой степени очистки, аналогичного материалу, используемому при производстве интегральных схем и компьютерных микросхем (кремний-пластина). Высокая стоимость этих кремниевых солнечных элементов и сложный процесс их производства вызвали интерес к альтернативным технологиям.

По сравнению с устройствами на основе кремния, полимерные солнечные элементы легкие (что важно для небольших автономных датчиков), потенциально одноразовые и недорогие в изготовлении (иногда с использованием печатной электроники), гибкие, настраиваемые на молекулярном уровне и потенциально менее вредные для окружающей среды. .Полимерные солнечные элементы также могут демонстрировать прозрачность, что позволяет использовать их в окнах, стенах, гибкой электронике и т. Д. Пример устройства показан на рисунке 1. Недостатки полимерных солнечных элементов также серьезны: они предлагают около 1/3 эффективность твердых материалов, и испытывают значительную фотохимическую деградацию. ^[1]

Полимерные солнечные элементы, проблемы неэффективности и стабильности, ^[2] в сочетании с их обещанием низкой стоимости ^[3] и повышенной эффективности ^[4] сделали их популярной областью исследований солнечных элементов.По состоянию на 2015 год полимерные солнечные элементы смогли достичь эффективности более 10% за счет тандемной структуры. ^[5]

Физика устройства

Полимерные солнечные элементы обычно состоят из слоя, блокирующего электроны или дырки, поверх проводящего стекла из оксида индия и олова (ITO), за которым следуют донор электронов и акцептор электронов (в случае солнечных элементов с объемным гетеропереходом), дырка или электрон блокирующий слой, а сверху металлический электрод. Природа и порядок блокирующих слоев, а также природа металлического электрода зависят от того, соответствует ли ячейка обычной или инвертированной архитектуре устройства.В перевернутой ячейке электрические заряды выходят из устройства в противоположном направлении, как в обычном устройстве, потому что положительные и отрицательные электроды поменяны местами. В перевернутых элементах могут использоваться катоды из более подходящего материала; Инвертированные ОПВ имеют более продолжительный срок службы, чем ОПВ с регулярной структурой, но обычно они не достигают такой высокой эффективности, как обычные ОПВ. ^[6]

В полимерных солнечных элементах с объемным гетеропереходом свет генерирует экситоны. Последующее разделение зарядов на границе раздела между донором и акцептором электронов в активном слое устройства.Затем эти заряды переносятся на электроды устройства, где заряды выходят за пределы ячейки, выполняют работу и затем снова входят в устройство на противоположной стороне. Эффективность клетки ограничена несколькими факторами, особенно негеминальной рекомбинацией. Подвижность дырок приводит к более быстрой проводимости через активный слой. ^{[7] [8]}

Органические фотоэлектрические элементы состоят из электронодонорных и электроноакцепторных материалов, а не из полупроводниковых p-n-переходов. Молекулы, образующие электронодонорную область органических фотоэлементов, где генерируются экситонные электронно-дырочные пары, обычно представляют собой сопряженные полимеры, обладающие делокализованными π-электронами, которые возникают в результате углеродной p-орбитальной гибридизации.Эти π-электроны могут быть возбуждены светом в видимой части спектра или около нее от самой высокой занятой молекулярной орбитали молекулы (HOMO) до самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO), обозначенной π -π * переходом. Энергетическая запрещенная зона между этими орбиталями определяет, какая длина волны (а) света может быть поглощена.

В отличие от неорганического кристаллического материала фотоэлемента, с его зонной структурой и делокализованными электронами, экситоны в органических фотоэлектрических элементах сильно связаны с энергией между 0.1 и 1,4 эВ. Эта сильная связь возникает из-за того, что электронные волновые функции в органических молекулах более локализованы, и электростатическое притяжение может, таким образом, удерживать электрон и дырку вместе как экситон. Электрон и дырка могут быть диссоциированы, обеспечивая границу раздела, на которой химический потенциал электронов уменьшается. Материал, поглощающий фотон, является донором, а материал, приобретающий электрон, называется акцептором. На рис. 2 полимерная цепь является донором, а фуллерен — акцептором.Даже после диссоциации электрон и дырка все еще могут быть соединены как «близнецовая пара», и тогда для их разделения требуется электрическое поле. Электрон и дырка должны собираться на контактах. Если подвижность носителей заряда недостаточна, они не достигнут контактов, а вместо этого рекомбинируют в местах захвата или остаются в устройстве в виде нежелательных пространственных зарядов, препятствующих потоку новых носителей. Последняя проблема может возникнуть, если подвижности электронов и дырок не совпадают. В этом случае фототок с ограничением объемного заряда (SCLP) снижает производительность устройства.

Органические фотоэлектрические элементы могут быть изготовлены из активного полимера и акцептора электронов на основе фуллерена. Освещение этой системы видимым светом приводит к переносу электрона от полимера к молекуле фуллерена. В результате на полимерной цепи происходит образование фотоиндуцированной квазичастицы, или полярона (P ⁺ ), и фуллерен становится анион-радикалом (C —
60). Поляроны очень подвижны и могут рассеиваться.

Архитектуры

Простейшее органическое фотоэлектрическое устройство имеет плоский гетеропереход (рисунок 1).Пленка из активного полимера (донора) и пленка акцептора электронов зажата между контактами. Экситоны, созданные в донорной области, могут диффундировать к переходу и разделяться, при этом дырка остается позади, а электрон переходит в акцептор. Поскольку носители заряда в типичных органических полупроводниках имеют диффузионную длину всего 3–10 нм, плоские ячейки должны быть тонкими, но тонкие ячейки хуже поглощают свет. Объемные гетеропереходы (BHJ) устраняют этот недостаток. В BHJ смесь материалов донора и акцептора электронов отливается как смесь, которая затем разделяется на фазы.Области каждого материала в устройстве разделены всего на несколько нанометров, расстояние, подходящее для диффузии носителей. BHJs требуют чувствительного контроля над морфологией материалов в наномасштабе. Важные переменные включают материалы, растворители и весовое соотношение донор-акцептор.

Следующим логическим шагом после BHJ являются упорядоченные наноматериалы для солнечных элементов или упорядоченные гетеропереходы (OHJ). OHJ сводят к минимуму вариативность, связанную с BHJ. OHJ обычно представляют собой гибриды упорядоченных неорганических материалов и органических активных областей.Например, фотоэлектрический полимер может быть нанесен на поры керамики, такой как TiO ₂ . Поскольку отверстия по-прежнему должны обеспечивать диффузию поры через полимер до контакта, OHJ страдают аналогичными ограничениями по толщине. Устранение узких мест, связанных с мобильностью отверстий, является ключом к дальнейшему повышению производительности устройств OHJ.

Процесс нанесения и отжига активного слоя

Поскольку его активный слой во многом определяет эффективность устройства, морфологии этого компонента было уделено большое внимание. ^[9]

Если один материал более растворим в растворителе, чем другой, он сначала откладывается на поверхности подложки, вызывая градиент концентрации через пленку. Это было продемонстрировано для устройств с поли-3-гексилтиофеном (P3HT), фенил-C ₆₁ -метиловый эфир масляной кислоты (PCBM), где PCBM имеет тенденцию накапливаться к дну устройства при нанесении покрытия методом центрифугирования из растворов ODCB. ^[10] Этот эффект виден потому, что более растворимый компонент имеет тенденцию мигрировать в сторону «богатой растворителем» фазы во время процедуры нанесения покрытия, накапливая более растворимый компонент к дну пленки, где растворитель остается дольше.Толщина образующейся пленки влияет на сегрегацию фаз, потому что динамика кристаллизации и осаждения различна для более концентрированных растворов или более высоких скоростей испарения (необходимых для создания более толстых устройств). Обогащение кристаллическим P3HT ближе к собирающему дырку электроду может быть достигнуто только для относительно тонких (100 нм) слоев P3HT / PCBM. ^[11]

Градиенты исходной морфологии тогда в основном создаются скоростью испарения растворителя и различиями в растворимости донора и акцептора внутри смеси.Эта зависимость от растворимости была четко продемонстрирована с использованием производных фуллерена и P3HT. ^[12] При использовании растворителей, которые испаряются с меньшей скоростью (например, хлорбензола (CB) или дихлорбензола (DCB)), вы можете получить большую степень вертикального разделения или агрегации, в то время как растворители, которые испаряются быстрее, производят гораздо менее эффективное вертикальное разделение. Большие градиенты растворимости должны привести к более эффективному вертикальному разделению, тогда как меньшие градиенты должны привести к более однородным пленкам.Эти два эффекта были подтверждены на солнечных элементах P3HT: PCBM. ^{[13] [14]}

Также были изучены скорость испарения растворителя, а также последующие процедуры паров растворителя или термического отжига. ^[15] Смеси, такие как P3HT: PCBM, похоже, выигрывают от процедур термического отжига, в то время как другие, такие как PTB7: PCBM, похоже, не показывают никаких преимуществ. ^[16] В P3HT преимущество, по-видимому, проявляется в увеличении кристалличности фазы P3HT, которая генерируется за счет вытеснения молекул PCBM из этих доменов.Это было продемонстрировано исследованиями смешиваемости PCBM в P3HT, а также изменений состава доменов в зависимости от времени отжига. ^{[17] [18] [19]}

Вышеупомянутая гипотеза, основанная на смешиваемости, не полностью объясняет эффективность устройств, поскольку только чистые аморфные фазы донорных или акцепторных материалов никогда не существуют в объемных устройствах с гетеропереходом. В статье ^[20] 2010 г. было высказано предположение, что современные модели, которые предполагают наличие чистых фаз и дискретных границ раздела, могут потерпеть неудачу при отсутствии чистых аморфных областей.Поскольку текущие модели предполагают разделение фаз на границах раздела без учета чистоты фазы, возможно, потребуется изменить модели.

Процедура термического отжига зависит от того, когда именно она применяется. Поскольку вертикальная миграция частиц частично определяется поверхностным натяжением между активным слоем и воздухом или другим слоем, отжиг до или после нанесения дополнительных слоев (чаще всего металлического катода) влияет на результат. В случае солнечных элементов P3HT: PCBM вертикальная миграция улучшается, когда элементы отжигаются после нанесения металлического катода.

Накопление доноров или акцепторов рядом с соседними слоями может быть полезным, поскольку эти накопления могут привести к эффектам блокировки дырок или электронов, что может улучшить производительность устройства. В 2009 году было показано, что разница в вертикальном распределении солнечных элементов P3HT: PCBM вызывает проблемы с подвижностью электронов, что в конечном итоге приводит к очень низкой эффективности устройства. ^[21] Простые изменения в архитектуре устройства — нанесение методом центрифугирования тонкого слоя PCBM поверх P3HT — значительно улучшают воспроизводимость ячеек, обеспечивая воспроизводимое вертикальное разделение между компонентами устройства.Поскольку для повышения эффективности требуется более высокий контакт между PCBM и катодом, это в значительной степени увеличивает воспроизводимость устройства.

Согласно анализу нейтронного рассеяния, смеси P3HT: PCBM были описаны как «реки» (области P3HT), прерванные «потоками» (области PCBM). ^[22]

Эффекты растворителя

Условия нанесения покрытия центрифугированием и испарения влияют на эффективность устройства. ^{[23] [24]} Растворитель и добавки влияют на донорно-акцепторную морфологию. ^[25] Добавки замедляют испарение, приводя к более кристаллическим полимерам и, таким образом, к повышению проводимости дырок и эффективности. Типичные добавки включают 1,8-октандитиол, ортодихлорбензол, 1,8-дииодоктан (DIO) и нитробензол. ^{[13] [26] [27] [28]} Эффект DIO был приписан избирательной солюбилизации компонентов PCBM, фундаментально изменяет среднее расстояние прыжка электронов и, таким образом, улучшает подвижность электронов. ^[29] Добавки также могут привести к значительному повышению эффективности полимеров. ^[30] Для солнечных элементов HXS-1 / PCBM эффект коррелировал с генерацией заряда, переносом и стабильностью при хранении. ^[31] Другие полимеры, такие как PTTBO, также значительно выигрывают от DIO, достигая значений PCE более 5% от примерно 3,7% без добавки.

Полимерные солнечные элементы

, изготовленные из хлорнафталина (CN) в качестве сорастворителя, обладают более высокой эффективностью, чем те, которые изготовлены из более обычного раствора чистого хлорбензола.Это связано с тем, что морфология донора-акцептора изменяется, что уменьшает разделение фаз между полимером-донором и фуллереном. В результате это приводит к высокой подвижности дырок. Без сорастворителей образуются большие домены фуллерена, снижая фотоэлектрические характеристики элемента из-за агрегации полимера в растворе. Эта морфология возникает из-за разделения фаз жидкость-жидкость во время сушки; Испарение раствора заставляет смесь попадать в спинодальную область, в которой происходят значительные тепловые флуктуации.Большие домены препятствуют эффективному сбору электронов (уменьшая PCE). ^[32]

Небольшие различия в структуре полимера также могут привести к значительным изменениям в упаковке кристаллов, что неизбежно повлияет на морфологию устройства. PCPDTBT отличается от PSBTBT из-за разницы в мостиковом атоме между двумя полимерами (C против Si), что означает, что лучшая морфология достижима с PCPDTBT: солнечные элементы PCBM, содержащие добавки, в отличие от системы Si, которая достигает хороших морфологий без помощи дополнительные вещества. ^[33]

Самосборные ячейки

Супрамолекулярная химия была исследована с использованием донорных и акцепторных молекул, которые собираются при центрифугировании и нагревании. Большинство супрамолекулярных ансамблей используют небольшие молекулы. ^{[34] [35]} Донорные и акцепторные домены в трубчатой ​​структуре идеально подходят для органических солнечных элементов. ^[36]

Диблок-полимеры, содержащие фуллерен, дают стабильные органические солнечные элементы при термическом отжиге. ^[37] Солнечные элементы с заранее разработанной морфологией, полученные при введении соответствующих супрамолекулярных взаимодействий. ^[38]

Прогресс в области BCP, содержащих производные политиофена, дает солнечные элементы, которые собираются в четко определенные сети. ^[39] КПД этой системы составляет 2,04%. Водородная связь определяет морфологию.

Эффективность устройств, основанная на подходах к сополимерам, еще не преодолела барьер в 2%, в то время как устройства с объемным гетеропереходом показывают эффективность> 7% в конфигурациях с одним переходом. ^[40]

Блок-сополимеры стержень-спираль с привитыми фуллеренами были использованы для изучения доменной организации. ^[41]

Супрамолекулярные подходы к органическим солнечным элементам обеспечивают понимание макромолекулярных сил, которые приводят к разделению доменов.

Инфракрасные полимерные ячейки

Инфракрасные элементы предпочтительно поглощают свет в инфракрасном диапазоне, а не в видимом диапазоне длин волн. По состоянию на 2012 год такие клетки можно сделать почти на 70% прозрачными для видимого света. Предполагается, что клетки можно производить в больших объемах с низкими затратами, используя обработку раствора. Инфракрасные полимерные элементы могут использоваться в качестве дополнительных компонентов портативной электроники, умных окон и фотоэлектрических элементов, встроенных в здание.В элементах в качестве верхнего электрода используются композитные пленки из нанопроволоки серебра / диоксида титана, которые заменяют обычные непрозрачные металлические электроды. Благодаря этой комбинации была достигнута эффективность преобразования мощности 4%. ^[42]

Полимерные солнечные элементы ближнего инфракрасного диапазона на основе сополимера нафтодитиофендиимида и битиофена (PNDTI-BT-DT) также производятся в сочетании с PTB7 в качестве донора электронов. И PNDTI-BT-DT, и PTB7 образуют кристаллическую структуру в смешанных пленках, аналогичную исходным пленкам, что приводит к эффективному генерированию заряда, вносимого обоими полимерами. ^[43]

КПД преобразования мощности

Одной из основных проблем, связанных с полимерными солнечными элементами, является низкая эффективность преобразования энергии (PCE) изготовленных элементов. Чтобы считаться коммерчески жизнеспособными, PSC должны быть способны достигать эффективности не менее 10-15% — это уже намного ниже, чем у неорганических PV. Однако из-за низкой стоимости полимерных солнечных элементов эффективность 10–15% является коммерчески жизнеспособной.

PCE (η) пропорционален произведению тока короткого замыкания (J _SC ), напряжения холостого хода (V _OC ) и коэффициента заполнения (FF).

Где P _в — падающая солнечная энергия. Недавние достижения в области характеристик полимерных солнечных элементов стали результатом сжатия запрещенной зоны для увеличения тока короткого замыкания при одновременном снижении самой высокой занимаемой молекулярной орбитали (HOMO) для увеличения напряжения холостого хода. Однако PSC все еще страдают от низкого коэффициента заполнения (обычно ниже 70%). Однако по состоянию на 2013 год исследователи смогли изготовить PSC с коэффициентом заполнения более 75%. Ученые смогли добиться этого с помощью перевернутого BHJ и с помощью нетрадиционных комбинаций донор / акцептор. ^[44]

Коммерциализация

Количество научных публикаций по теме «полимерные солнечные элементы» по годам. Поиск осуществляется через ISI, Web of Science. ^[45]

Полимерные солнечные элементы еще предстоит коммерчески конкурировать с кремниевыми солнечными элементами и другими тонкопленочными элементами. Текущая эффективность полимерных солнечных элементов составляет около 10%, что значительно ниже кремниевых элементов. Полимерные солнечные элементы также страдают от ухудшения состояния окружающей среды из-за отсутствия эффективных защитных покрытий.

Необходимы дальнейшие улучшения рабочих характеристик, чтобы способствовать диффузии носителей заряда; транспорт должен быть улучшен за счет контроля порядка и морфологии; а разработка интерфейсов должна применяться к проблеме передачи заряда через интерфейсы.

Проводятся исследования по использованию тандемной архитектуры для повышения эффективности полимерных солнечных элементов. Подобно неорганической тандемной архитектуре, ожидается, что органическая тандемная архитектура повысит эффективность. По сравнению с однопереходным устройством, использующим материалы с малой шириной запрещенной зоны, тандемная структура может снизить потери тепла во время преобразования фотонов в электроны. ^[5]

Полимерные солнечные элементы серийно не производятся. С 2008 года компания Konarka Technologies начала производство полимерно-фуллереновых солнечных элементов. ^[46] Первоначальные модули имели КПД 3–5% и прослужили всего несколько лет. Konarka с тех пор объявила о банкротстве, поскольку эти полимерные солнечные элементы не смогли проникнуть на рынок фотоэлектрических систем.

PSC также по-прежнему страдают от низкого коэффициента заполнения (обычно ниже 70%). Однако по состоянию на 2013 год исследователи смогли изготовить PSC с коэффициентом заполнения более 75%.Ученые смогли добиться этого с помощью перевернутого BHJ и с помощью нетрадиционных комбинаций донор / акцептор. ^[44]

Тем не менее, предпринимаются усилия по расширению производства полимерных солнечных элементов с целью снижения затрат, а также отстаивания практического подхода к производству PSC. Такие усилия включают полную обработку раствора с рулона на рулон. Однако обработка раствора с рулона на рулон не подходит для производства электроэнергии в сети из-за короткого срока службы полимерных солнечных элементов.Таким образом, коммерческое применение полимерных солнечных элементов по-прежнему включает в себя в первую очередь бытовую электронику и бытовую технику. ^[47]

Моделирование органических солнечных элементов

Как обсуждалось выше, органические полупроводники представляют собой материалы с сильным беспорядком без дальнего порядка. Это означает, что границы зоны проводимости и валентной зоны определены нечетко. Кроме того, этот физический и энергетический беспорядок порождает состояния ловушек, в которых фотогенерированные электроны и дырки могут захватываться, а затем в конечном итоге рекомбинировать.

Ключом к точному описанию органических солнечных элементов в модели устройства является включение захвата носителей и рекомбинации через состояния захвата. Обычно используемый подход заключается в использовании модели эффективной среды, в которой стандартные уравнения дрейфовой диффузии используются для описания переноса через устройство. Затем вводится экспоненциальный хвост состояний ловушки, который затухает в запрещенную зону от краев подвижности. ^[48] Для описания захвата / выхода из этих состояний ловушки можно использовать метод Шокли – Рида – Холла (SRH).Было показано, что механизм Шокли-Рида-Холла способен воспроизводить поведение устройства полимер: фуллерен как во временной области, так и в стационарном состоянии. ^[48]

Модели устройств на органических солнечных элементах

FLUXiM http://fluxim.com/ (коммерческий)

opvdm http://opvdm.com/ (бесплатно)

Прочие солнечные элементы третьего поколения

См. Также

Список литературы

1. ↑ Иоахим Лютер, Майкл Наст, М. Норберт Фиш, Дирк Кристоферс, Фриц Пфистерер, Дитер Мейснер, Иоахим Нитч «Солнечные технологии» 2002, Wiley-VCH, 2008 Weinheim.DOI: 10.1002 / 14356007.a24_369
2. ↑ Йоргенсен М., К. Норрман и Ф.С. Кребс (2008). «Стабильность / деградация полимерных солнечных элементов». Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы . 92 (7): 686. DOI: 10.1016 / j.solmat.2008.01.005. CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка)
3. ↑ По, Риккардо; Карбонера, Кьяра; Бернарди, Андреа; Тинти, Франческа; Камайони, Надя (2012).«Электроды на основе полимера и углерода для полимерных солнечных элементов: к дешевому, непрерывному производству на большой площади». Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы . 100 : 97. DOI: 10.1016 / j.solmat.2011.12.022.
4. ↑ Scharber, M.C .; Mühlbacher, D .; Коппе, М .; Denk, P .; Waldauf, C .; Heeger, A. J .; Брабек, К. Дж. (2006). «Правила проектирования для доноров в солнечных элементах с объемным гетеропереходом — достижение 10% эффективности преобразования энергии» (PDF). Расширенные материалы . 18 (6): 789. DOI: 10.1002 / adma.200501717.
5. ↑ ^{5,0 5,1} Ю, Цзинби; Доу, Летиан; Йошимура, Кен; Като, Такехито; Охя, Кеничиро; Мориарти, Том; Эмери, Кейт; Чен, Чун-Чао (5 февраля 2013 г.). «Полимерный тандемный солнечный элемент с эффективностью преобразования энергии 10,6%». Природные коммуникации . 4 : 1446.Bibcode: 2013NatCo … 4E1446Y. DOI: 10,1038 / ncomms2411. PMC 3660643. PMID 23385590.
6. ↑ Зыга, Лиза. «Эффективность инвертированных полимерных солнечных элементов устанавливает мировой рекорд». Phys.org . Проверено 18 февраля 2015 г.
7. ↑ Пиврикас, А .; Sariciftci, N. S .; Юшка, Г .; Остербака, Р. (2007). «Обзор переноса заряда и рекомбинации в органических солнечных элементах полимер / фуллерен» (PDF). Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения . 15 (8): 677. DOI: 10.1002 / pip.791.
8. ↑ Тесслер, Нир; Презант, Евгений; Раппапорт, Ноам; Ройхман, Йохай (2009). «Транспорт заряда в неупорядоченных органических материалах и его отношение к тонкопленочным устройствам: обзор учебного пособия» (PDF). Расширенные материалы . 21 (27): 2741. DOI: 10.1002 / adma.200803541.
9. ↑ Clarke, Tracey M .; Баллантайн, Эми М .; Нельсон, Дженни; Брэдли, Донал Д. С.; Даррант, Джеймс Р. (2008). «Контроль свободной энергии фотогенерации заряда в солнечных элементах из политиофена / фуллерена: влияние термического отжига на смеси P3HT / PCBM». Расширенные функциональные материалы . 18 (24): 4029. DOI: 10.1002 / adfm.200800727.
10. ↑ Сюй, Чжэн; Чен, Ли-Минь; Ян, Гуаньвэнь; Хуанг, Чун-Хао; Хоу, Цзяньхуэй; Ву, Юэ; Ли, банда; Сюй, Чейн-Шу; Ян, Ян (2009). «Вертикальное разделение фаз в поли (3-гексилтиофене): смеси производных фуллерена и его преимущества для солнечных элементов с обратной структурой» (PDF). Расширенные функциональные материалы . 19 (8): 1227. DOI: 10.1002 / adfm.200801286.
11. ↑ Ван Бавель, Светлана; Кислый, Эрван; Де С, Гийсбертус; Веселый, Кай; Лоос, Иоахим (2009).«Взаимосвязь между толщиной фотоактивного слоя, трехмерной морфологией и производительностью устройства в солнечных элементах с объемным гетеропереходом P3HT / PCBM». Макромолекулы . 42 (19): 7396. DOI: 10.1021 / ma7t.
12. ↑ Трошин Павел А .; Хоппе, Харальд; Ренц, Иоахим; Эггингер, Мартин; Майорова Юлия Ю .; Горячев, Андрей Е .; Перегудов, Александр С .; Любовская, Римма Н .; Гобш, Герхард; Саричифтчи, Н.Сердар; Разумов, Владимир Ф. (2009). «Взаимосвязь растворимости материалов и фотоэлектрических характеристик при разработке новых производных фуллерена для объемных солнечных элементов с гетеропереходом» (PDF). Расширенные функциональные материалы . 19 (5): 779. DOI: 10.1002 / adfm.200801189.
13. ↑ ^{13,0 13,1} Moulé, A.J. и К. Меерхольц (2008). «Контроль морфологии в смесях полимер-фуллерен» (PDF). Расширенные материалы . 20 (2): 240. DOI: 10.1002 / adma.200701519.
14. ↑ Данг, Минь Чунг; Wantz, Гийом; Беджбуджи, Хабиба; Уриен, Матьё; Dautel, Olivier J .; Виньяу, Лоуренс; Хирш, Лайонел (2011). «Полимерные солнечные элементы на основе P3HT: PCBM: роль литейного растворителя». Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы . 95 (12): 3408. DOI: 10.1016 / j.solmat.2011.07.039.
15. ↑ Нагарджуна, Гаввалапалли; Венкатараман, Дхандапани (2012). «Стратегии контроля морфологии активного слоя в OPV». Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 50 (15): н / д. Bibcode: 2012JPoSB..50.1045N. DOI: 10.1002 / polb.23073.
16. ↑ Матиас А.Рудерер и Петер Мюллер-Бушбаум (2011). «Морфология объемных пленок на основе полимеров с гетеропереходами для органической фотовольтаики». Мягкое вещество . 7 (12): 5482. Bibcode: 2011SMat …. 7.5482R. DOI: 10.1039 / C0SM01502D.
17. ↑ Treat, Neil D .; Брэди, Майкл А .; Смит, Гордон; Тони, Майкл Ф .; Крамер, Эдвард Дж .; Хоукер, Крейг Дж .; Чабиныц, Михаил Л. (2011). «Взаимодиффузия PCBM и P3HT выявляет смешиваемость в фотоэлектрически активной смеси». Современные энергетические материалы . 1 : 82. DOI: 10.1002 / aenm.201000023. ; Treat, Neil D .; Брэди, Майкл А .; Смит, Гордон; Тони, Майкл Ф .; Крамер, Эдвард Дж .; Хоукер, Крейг Дж .; Чабиныц, Михаил Л. (2011). «Исправление: взаимная диффузия PCBM и P3HT выявляет смешиваемость в фотоэлектрически активной смеси (Adv. Energy Mater. 2/2011)». Современные энергетические материалы . 1 (2): 145.DOI: 10.1002 / aenm.2011.
18. ↑ Козуб, Дерек Р .; Вахшури, Киараш; Орм, Лиза М .; Ван, Ченг; Гексемер, Александр; Гомес, Энрике Д. (2011). «Полимерная кристаллизация частично смешиваемых смесей политиофена / фуллерена контролирует морфологию». Макромолекулы . 44 (14): 5722. DOI: 10.1021 / ma200855r.
19. ↑ Джо, Джанг; Ким, Сок-Сун; На, Сок-Ин; Ю, Бюнг-Кван; Ким, Донг-Ю (2009).«Зависящая от времени эволюция морфологии за счет процессов отжига на солнечных элементах из смеси фуллерена и полимера». Расширенные функциональные материалы . 19 (6): 866. DOI: 10.1002 / adfm.200800968.
20. ↑ Collins, Brian A .; Ганн, Элиот; Гиньяр, Льюис; Он, Сяоси; McNeill, Christopher R .; Адэ, Харальд (2010). «Молекулярная смешиваемость смесей полимер-фуллерен» (PDF). Журнал физической химии Письма . 1 (21): 3160. DOI: 10.1021 / jz101276h. Вспомогательная информация
21. ↑ Tremolet De Villers, Bertrand; Тассон, Кристофер Дж .; Толберт, Сара Х .; Шварц, Бенджамин Дж. (2009). «Повышение воспроизводимости солнечных элементов P3HT: PCBM путем управления интерфейсом PCBM / катод». Журнал физической химии C . 113 (44): 18978. DOI: 10.1021 / jp63.
22. ↑ Инь В. и М. Дадмун, «Новая модель морфологии органических фотоэлектрических элементов P3HT / PCBM на основе малоуглового рассеяния нейтронов: реки и потоки» ACS Nano, 2011, том 5, с. 4756-4768.
23. ↑ Нильссон, Сванте; Бернасик, Анджей; Будковски, Анджей; Луны, Эллен (2007). «Морфология и фазовая сегрегация пленок фильерного производства смесей полифлуорен / ПХБМ». Макромолекулы . 40 (23): 8291. Bibcode: 2007MaMol..40.8291N. DOI: 10.1021 / ma070712a.
24. ↑ Лековер, Рэйчел; Уильямс, Николас; Маркович, Нина; Райх, Даниэль Х .; Naiman, Daniel Q .; Кац, Ховард Э. (2012). «Полимерные материалы для солнечных элементов нового поколения: разработанный контроль межфазных переменных». САУ Нано . 6 (4): 2865–70. DOI: 10.1021 / NN301140W. PMID 22444948.
25. ↑ Пиврикас, Альмантас; Нойгебауэр, Гельмут; Саричифтчи, Ниязи Сердар (2011).«Влияние технологических добавок на наноморфологию и эффективность солнечных элементов с объемным гетеропереходом: сравнительный обзор». Солнечная энергия . 85 (6): 1226. Bibcode: 2011SoEn … 85.1226P. DOI: 10.1016 / j.solener.2010.10.012.
26. ↑ Яо, Янь; Хоу, Цзяньхуэй; Сюй, Чжэн; Ли, банда; Ян, Ян (2008). «Влияние смесей растворителей на разделение фаз в наномасштабе в полимерных солнечных элементах» (PDF). Расширенные функциональные материалы . 18 (12): 1783. DOI: 10.1002 / adfm.200701459.
27. ↑ Ли, Джэ Кван; Ма, Ван Ли; Brabec, Christoph J .; Юэн, Джонатан; Луна, Джи Сун; Ким, Джин Ён; Ли, Кванги; Bazan, Guillermo C .; Хигер, Алан Дж. (2008). «Технологические добавки для повышения эффективности массивных солнечных элементов с гетеропереходом». Журнал Американского химического общества . 130 (11): 3619–23. DOI: 10.1021 / ja710079w. PMID 18288842.
28. ↑
29. ↑ Карр Хой Йи Хо, Ци Донг, Ханг Инь, Винки Винг Ки Люн, Циндан Ян, Харрисон Ка Хин Ли, Сай Винг Цанг и Шу Конг Со (2015). «Влияние добавки к растворителю на транспорт носителя в фотоэлектрических элементах с гетеропереходом на основе фуллерена». Интерфейсы с расширенными материалами . 2 (12): н / д. DOI: 10.1002 / admi.201500166. CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка)
30. ↑ Лян, Юнъе; Сюй, Чжэн; Ся, Цзянбинь; Цай, Су-Тинг; Ву, Юэ; Ли, банда; Рэй, Клэр; Ю., Лупинг (2010). «Для светлого будущего — объемные полимерные солнечные элементы с гетеропереходом с эффективностью преобразования энергии 7,4%». Расширенные материалы . 22 (20): E135–8. DOI: 10.1002 / adma.2008. PMID 20641094.
31. ↑ Ли, Вэйвэй; Чжоу, Йи; Виктор Андерссон, Б .; Маттиас Андерссон, L .; Томан, Йи; Вейт, Клеменс; Твинстедт, Кристофер; Цинь, Руипин; Бо, Чжишань; Инганас, Олле; Вюрфель, Ули; Чжан, Фэнлин (2011). «Влияние добавки на производительность и стабильность при хранении фотоэлектрических устройств HSX-1 / PCBM». Органическая электроника . 12 (9): 1544. DOI: 10.1016 / j.orgel.2011.05.028.
32. ↑ ван Франекар, Якобус; Turbiez, Mathieu; Ли, Вэйвэй; Винк, Мартейн; Янссен, Рене (6 февраля 2015 г.). «Исследование в реальном времени преимуществ сорастворителей при обработке полимерных солнечных элементов». Природные коммуникации . 6 : 6229. Bibcode: 2015NatCo … 6E6229V. DOI: 10,1038 / ncomms7229. PMID 25656313.
33. ↑ Beaujuge, P.M. и J.M.J. Фреше (2011). «Молекулярный дизайн и эффекты упорядочения в π-функциональных материалах для транзисторов и солнечных элементов». Журнал Американского химического общества . 133 (50): 20009–29. DOI: 10.1021 / ja2073643. PMID 21999757.
34. ↑ Трошин Павел А .; Коппе, Роберт; Перегудов Александр Сергеевич; Перегудова, Светлана М .; Эггингер, Мартин; Любовская, Римма Н .; Sariciftci, Н. Сердар (2007). «Супрамолекулярная ассоциация пирролидинофуллеренов, содержащих хелатирующие пиридильные группы и фталоцианин цинка для органических солнечных элементов». Химия материалов . 19 (22): 5363. DOI: 10.1021 / cm071243u.
35. ↑ Tevis, Ian D .; Цай, Вэй-Вэнь; Палмер, Лиам К.; Айтун, Танер; Ступп, Сэмюэл И.(2012). «Рифленые нанопроволоки из самособирающихся молекул шпильки для солнечных элементов». САУ Нано . 6 (3): 2032–40. DOI: 10,1021 / NN203328N. PMID 22397738.
36. ↑ Dössel, L.F .; Камм, Валентин; Ховард, Ян А .; Лакуай, Фредерик; Писула, Войцех; Фэн, Синьлянь; Ли, Чен; Такасе, Масаёши; и другие. (2012). «Синтез и контролируемая самосборка ковалентно связанных диад гекса-пери-гексабензокоронен / перилендиимид как модели для изучения фундаментальных процессов передачи энергии и электронов». Журнал Американского химического общества . 134 (13): 5876–86. DOI: 10.1021 / ja211504a. PMID 22394147.
37. ↑ Мияниши, Сёдзи; Чжан, Юэ; Тадзима, Кейсуке; Хашимото, Кадзухито (2010). «Полностью полупроводниковые диблок-сополимеры с присоединением фуллерена для стабильных однокомпонентных полимерных солнечных элементов». Химическая связь . 46 (36): 6723–5. DOI: 10.1039 / C0CC01819H.

Полимерный (пластиковый) солнечный элемент — MSE 5317

Введение

В 1 курсовой работе я упомянул электропроводность проводящего полимера, типы проводящего полимера и области применения проводящего полимера. Есть много областей применения проводящего полимера. в настоящее время наибольшее внимание уделяется органическим светодиодам (OLED) и солнечным элементам из органических полимеров.

, поэтому в этой последней курсовой работе я хотел бы поговорить о полимерных (пластиковых) солнечных элементах на основе проводящих полимеров.

Полимерные солнечные элементы — это тип органических солнечных элементов (также называемых пластиковыми солнечными элементами) или органических фотоэлектрических элементов, которые вырабатывают электричество из солнечного света с использованием полимеров. Это относительно новая технология, они исследуются университетами, национальными лабораториями и несколькими компаниями по всему миру.
В настоящее время многие солнечные элементы в мире изготавливаются из очищенного кристалла кремния высокой степени очистки, аналогичного тем, которые используются при производстве интегральных схем и компьютерных микросхем (кремниевые пластины).Высокая стоимость этих кремниевых солнечных элементов и сложный процесс их производства вызвали интерес к разработке альтернативных фотоэлектрических технологий.

По сравнению с устройствами на основе кремния, полимерные солнечные элементы легкие (что важно для небольших автономных датчиков), одноразовые, недорогие в изготовлении (иногда с использованием печатной электроники), гибкие, настраиваемые на молекулярном уровне и имеют меньший потенциал негативного воздействия на окружающую среду. влияние.

Принцип работы полимерного солнечного элемента

Органические фотоэлектрические элементы состоят из электронодонорных и электроноакцепторных материалов, а не из полупроводниковых p-n-переходов.Молекулы, образующие электронодонорную область органических фотоэлементов, где генерируются экситонные электронно-дырочные пары, обычно представляют собой сопряженные полимеры, обладающие делокализованными π-электронами, которые возникают в результате углеродной p-орбитальной гибридизации. Эти π-электроны могут быть возбуждены светом в видимой части спектра или около нее от самой высокой занятой молекулярной орбитали молекулы (HOMO) до самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO), обозначенной π -π * переходом. Ширина запрещенной зоны между этими орбиталями определяет, какая длина волны света может поглощаться.

В отличие от неорганического кристаллического материала фотоэлемента, с его зонной структурой и делокализованными электронами, экситоны в органических фотоэлектрических элементах прочно связаны с энергией от 0,1 до 1,4 эВ. Это сильное связывание происходит из-за того, что электронные волновые функции в органических молекулах более локализованы, и электростатическое притяжение может, таким образом, удерживать электрон и дырку вместе как экситон. Электрон и дырка могут быть диссоциированы, обеспечивая границу раздела, на которой химический потенциал электронов уменьшается.Материал, поглотивший фотон, является донором, а материал, поглощающий электрон, называется акцептором. Полимерная цепь является донором, а фуллерен — акцептором. После того, как диссоциация произошла, электрон и дырка все еще могут быть соединены как геминальная пара, и тогда для их разделения требуется электрическое поле.

После диссоциации экситона электрон и дырка должны собираться на контактах. Однако подвижность носителей заряда теперь начинает играть важную роль: если подвижность недостаточно высока, носители не достигнут контактов, а вместо этого рекомбинируют в местах захвата или остаются в устройстве в виде нежелательных пространственных зарядов, которые препятствуют дрейфу новых перевозчики.Последняя проблема может возникнуть, если подвижности электронов и дырок сильно несбалансированы, так что один вид гораздо более подвижен, чем другой. В этом случае фототок с ограничением объемного заряда (SCLP) снижает производительность устройства.

В качестве примера процессов, связанных с работой устройства, органические фотоэлектрические элементы могут быть изготовлены с активным полимером и акцептором электронов на основе фуллерена. Освещение этой системы видимым светом приводит к переносу электрона от полимерной цепи к молекуле фуллерена.В результате на полимерной цепи происходит образование фотоиндуцированной квазичастицы, или полярона (P +), и фуллерен становится ион-радикалом C60-. Поляроны очень подвижны по длине полимерной цепи и могут диффундировать.

Структура и способ изготовления полимерных солнечных элементов

Почти все полимерные солнечные элементы имеют планарно-слоистую структуру, в которой органический светопоглощающий слой зажат между двумя разными электродами. Один из электродов должен быть (полупрозрачным), часто из оксида индия-олова (ITO), но можно также использовать тонкий металлический слой.Другой электрод очень часто алюминиевый (также используются кальций, магний, золото и другие). По сути, принцип, лежащий в основе светособирающих органических фотоэлементов (иногда называемых фотодетектирующими диодами), является обратным принципу светоизлучающих диодов (СИД) (см. Рис. 1), и их развитие в некоторой степени связано.

Рис. 1. Фотоэлектрическое устройство (слева) — это обратная сторона светодиода (справа). В обоих случаях между двумя электродами зажат органический материал. Типичные электродные материалы показаны на рисунке.В фотоэлектрических элементах электроны собираются на металлическом электроде, а отверстия — на прозрачном электроде. В светодиоде происходит обратное: электроны вводятся в металлический электрод (катод), которые рекомбинируются с отверстиями, введенными в прозрачный электрод (анод).

Изготовление активного слоя полимерного солнечного элемента просто: сначала материалы донора и акцептора растворяются в растворителе, а затем возбуждаются путем их капания, вращения или прессования на подходящую подложку.После испарения растворителя образуется однородная пленка толщиной ок. Образуется 100 нанометров (нм) — это примерно одна двухсотая толщины человеческого волоса. Простая печать полимеров на пленке обещает низкие производственные затраты на «нестандартные солнечные элементы». Применение существующих технологий печати могло бы облегчить широкомасштабную техническую реализацию.

Полимерные материалы для солнечных элементов

Органические фотоэлектрические элементы относятся к солнечным элементам на основе органических полупроводниковых материалов (в основном красителей), которые могут генерировать электрический ток из света.Например, элемент Гретцеля, сенсибилизированный электрохимическим красителем солнечный элемент, названный в честь его изобретателя Михаэля Гретцеля из Швейцарского технического университета в Лозанне, использует молекулу хлорофилла листа, с помощью которой растения превращают солнечный свет в химическую энергию. Вариантом органических фотоэлектрических элементов являются электропроводящие полимеры (углеводородные полимеры), используемые Аланом Хигером. Принцип, согласно которому функционируют как органические, так и полимерные солнечные элементы, основан на переносе электронов, инициируемом солнечным светом, так называемой донорно-акцепторной системе.

Фотоактивные слои в органических и полимерных солнечных элементах обычно состоят из материала донора электронов и акцептора электронов. Для органических солнечных элементов в качестве доноров используются красители из группы так называемых фталоцианинов, а в качестве акцепторов — молекулы углеводородных атомов (с фуллереном). Слои обычно создаются путем отделения материалов от газовой фазы в вакууме.

В полимерных солнечных элементах сложные полимеры используются в качестве доноров и, в некоторых случаях, также в качестве акцепторов.Часто фуллерены используются как акцепторы электронов. Структура полимерного солнечного элемента аналогична структуре органического солнечного элемента, хотя его фотоактивный слой состоит из комбинации донор-акцептор.

Из-за высокой энергии связи экситонов полимерные солнечные элементы состоят из смеси двух материалов, один из которых действует как донор электронов, а другой — как акцептор, способствуя диссоциации экситонов.2 Акцептор функционирует как переносчик электронов, а донор переносит дыры. На рисунке 2 показаны химические структуры и уровни энергии типичного электронодонорного полимера, поли-3-гексилтиофена (P3HT) и электроноакцепторного производного фуллерена, метилового эфира [6,6] -фенил-C61-масляной кислоты (PCBM). .

Рис. 2. Химическая структура и уровни энергии F8TBT, PCBM и P3HT. Энергетические диаграммы показывают самую высокую занятую (HOMO) и самую низкую незанятую (LUMO) молекулярные орбитали материалов, а стрелки указывают направление переноса электрона (e-) и дырки (h +). R = C6h23.

Схема 2 показывает химическую структуру полимера на основе фуллерена в качестве акцептора.

Схема 2. Химическая структура полимера на основе фуллерена как акцептора.

Текущие исследования и коммерческий статус

По причинам, описанным выше, полимерные солнечные элементы в настоящее время, как правило, коммерчески не производятся.Одним из исключений является компания Konarka Technologies, которая в 2008 году объявила об открытии крупнейшего в мире завода по производству гибких тонкопленочных солнечных батарей, готовясь к коммерциализации и массовому производству своего защищенного патентом тонкопленочного солнечного материала. Силовой пластик. Расположенное в Нью-Бедфорде, штат Массачусетс, здание площадью 250 000 квадратных футов ранее было местом размещения самых передовых технологий печати корпорации Polaroid.

См. Ссылку ниже на YouTube-видео.он очень хорошо объясняет текущий статус исследований и будущее полимерных солнечных элементов.

Первые заводские элементы имеют КПД 3-5% и служат всего пару лет, но компания заявила, что в конечном итоге сможет повысить как эффективность, так и долговечность. Компания планирует изначально продавать элементы для ряда нишевых приложений: например, в портфелях для подзарядки ноутбуков, в палатках, зонтах и ​​навесах, а также в качестве тонировки окон (поскольку ячейки можно сделать прозрачными).
Nature Photonics На этой неделе (01.05.2009) в онлайн-издании Nature Photonics исследователи сообщили о полимерных солнечных элементах, которые преобразуют около 6,1 процента энергии солнечного света в электричество, что немного ближе к 10 процентам они говорят, что потребуется, чтобы закрепиться на рынке. (КПД обычных кремниевых элементов составляет около 15%). Новые показатели эффективности «показывают, что мы в игре», — говорит Алан Хигер, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, руководивший исследованием.Хигер получил Нобелевскую премию по химии в 2000 году за его роль в разработке первых проводящих полимеров, а также он соучредитель и главный научный сотрудник Konarka, компании по производству пластиковых солнечных элементов со штаб-квартирой в Лоуэлле, Массачусетс.

Результаты калифорнийских исследователей очень выгодно отличаются от ранее опубликованных описаний полимерных солнечных элементов, эффективность которых колеблется в районе 5 процентов. Конарка говорит, что ячейки компании, в которых используются другие материалы, чем ячейки, изготовленные в университетской лаборатории Хигера, недавно получили оценку или 6.4 процента.

Органические материалы по-прежнему ограничены видимым светом, — говорит Ян, но большая часть солнечной энергии находится в соседней части спектра, поэтому ученые, работающие в области инфракрасного излучения, работают над материалами солнечных элементов, которые также могут поглощать эту полосу. Юй из Чикагского университета , который сотрудничает с Solarmer Energy, говорит, что компания использовала его полимеры, которые поглощают более коротковолновый свет, для изготовления элементов, которые должны достичь эффективности более 7 процентов, но он не может раскрывать детали, потому что результаты еще не опубликованы. .

Номер ссылки

1. Википедия <Полимерный солнечный элемент>
2. Материалы класса доктора Сотцинга. Программа полимеров UCONN IMS.
3. 6 ноября 2007 г., Новости SPIE. <Полимеры демонстрируют универсальность в органических солнечных элементах>
4. Nature Materials 5, 675 — 676 ​​(2006) <Солнечные элементы: изображения из смешанной зоны>
5. Chem. Rev. 2007, 107, 1324-1338 <Органические солнечные элементы на основе сопряженных полимеров>
6. Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы 83 (2004) 125–146 <Краткая история развития органических и полимерных фотоэлектрических элементов>
7.Photonics Polymer Lab. MSE, KJIST, Южная Корея, конспект лекции.
8. http://www.youtube.com/watch?v=ilI5rl2fQ_Q&feature=PlayList&p=48102B42BCF02D29&index=0, Konarka Inc.
9. Adv. Mater. 2009, 21, 1–16. <Солнечные элементы с объемным гетеропереходом полимер-фуллерен>
10. Nature Photonics 3, 297 — 302 (2009) <Объемные солнечные элементы с гетеропереходом с внутренней квантовой эффективностью, приближающейся к 100%>

Полимерные солнечные элементы могут отставать от традиционных кремниевых солнечных элементов по долговечности и эффективности, но в конечном итоге могут питать автономные удаленные датчики и носимые технологии — ScienceDaily

В отличие от традиционных кремниевых солнечных элементов, органические полимерные солнечные элементы (PSC) никогда не могут покрыть склоны холмов. солнечная ферма на мегаватт.Но эти легкие и гибкие элементы демонстрируют потенциал для обеспечения солнечной энергией удаленных микроваттных датчиков, носимых устройств и устройств с подключением к Wi-Fi, составляющих «Интернет вещей».

PSC используют органические полимеры для поглощения света и преобразования его в электричество. Хотя PSC не могут сравниться по долговечности или эффективности с неорганическими солнечными элементами, возможность массового производства нетоксичных одноразовых солнечных панелей с использованием рулонного производства делает их привлекательными для дополнительных приложений.В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy от AIP Publishing, Пол Бергер и Минджэ Ким из Университета штата Огайо анализируют последние достижения и нерешенные проблемы в технологии PSC.

Исследования PSC стремительно росли за последние два десятилетия, генерируя все большее количество публикаций и патентов. Однако эта новая технология вряд ли заменит традиционные неорганические солнечные элементы. Напротив, Бергер рассматривает PSC как дополнительные.Они могут обходить высоковольтные линии электропередач и обеспечивать электроэнергией те устройства, которые в противном случае потребовали бы токсичных батарей.

Например, PSC могут приводить в действие датчики свежести на упаковке пищевых продуктов, просто используя верхнее освещение в продуктовых магазинах. Кроме того, они могут выйти за рамки управления запасами в магазине и подключиться к «умной кухне», чтобы сократить количество пищевых отходов и автоматизировать списки продуктов. «У PSC есть такая способность быть гибкими, потому что они в основном пластиковые, поэтому вы можете надевать их на рюкзаки, куртки и даже сливки для кофе — целый ряд вещей, где они используются», — сказал Бергер.«Это разрушительная бизнес-модель».

Полимеры могут быть растворены в растворителях и нанесены на гибкую основу с использованием доступного по цене производства рулонов, что делает эту технологию особенно привлекательной. «Этот печатный станок мало чем отличается от печатного станка для воскресной газеты, но вместо трех основных цветов и черного вы печатаете четыре или пять различных слоев, необходимых для солнечных элементов, диодов и транзисторов», — сказал Бергер. Длинные рулоны солнечных элементов также открывают новые возможности, например, для обертывания транспортных средств или покрытия фасадов и окон зданий.Бергер, однако, предупреждает, что некоторые дорогостоящие сырьевые материалы для PSC, а именно оксид индия, олова и фуллерены, которые оказалось сложно заменить, могут ограничить доступность в ближайшем будущем.

Долговечность — еще одна проблема, потому что полимеры и катоды из химически активных металлов окисляются под воздействием воды и кислорода. «Они имеют тенденцию к разложению довольно быстро», — сказал Бергер, в связи с чем необходимо изолировать солнечные элементы для защиты. Эта инкапсуляция может быть очень эффективной для стекла, но более сложна для гибких поверхностей, таких как пакеты для картофельных чипсов.

В лаборатории эффективность PSC достигает примерно 13 процентов, что далеко от 20 процентов эффективности коммерческих солнечных панелей. PSC, в которых используются полимеры P3HT: PCBM, представленные в 2002 году, являются стандартной «рабочей лошадкой» и дают КПД около 3,5%. Последние достижения в химии, геометрии и разработка тандемных солнечных элементов, которые объединяют несколько слоев вместе, сделали возможной эту большую эффективность.

Несколько компаний в США и Европе работают над выводом на рынок жизнеспособных PSC.В случае успеха PSC могут занять свою собственную нишу, помимо кремниевых солнечных батарей, питая все виды удаленных устройств.

История Источник:

Материалы предоставлены Американским институтом физики . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Эффективность инвертированных полимерных солнечных элементов устанавливает мировой рекорд

Новые органические фотоэлектрические солнечные элементы с эффективностью 9,2% могут появиться на рынке в 2013 году.Изображение предоставлено: Phillips 66

(Phys.org). В течение многих лет исследователи стремились достичь 10% -ной эффективности для органических фотоэлектрических (OPV) солнечных элементов на основе полимеров, и эта цель широко считается пороговой для коммерческого применения. Теперь в новом исследовании исследователи из Южно-Китайского технологического университета в Гуанчжоу сконструировали перевернутый OPV, который установил новый рекорд с сертифицированной эффективностью 9,2%, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущим рекордным показателем эффективности 8.37%. Ожидая, что новый дизайн ускорит разработку целевого показателя 10% в ближайшем будущем, исследовательская группа сотрудничает с Phillips 66 и Solarmer, фотоэлектрической компанией из Эль-Монте, Калифорния, из Хьюстона, для подготовки к коммерциализации.

«На мой взгляд, цель в 10% не является необходимой для массового производства; 5-8% достаточно для этой развивающейся фотоэлектрической технологии», — сказал Хунбинь Ву, профессор Южно-Китайского технологического университета.org . «10% — это хорошо принятая цифра в сообществе органической электроники. Однако, поскольку OPV можно производить очень рентабельным способом, более низкая эффективность преобразования энергии — это нормально».

Хотя кремниевые солнечные элементы имеют КПД выше 20%, исследователи подчеркивают, что низкая стоимость производства OPV сделает их конкурентоспособными с более дорогими кремниевыми элементами. Однако ОПВ на пластиковой основе пришлось преодолеть еще одну проблему, чтобы привлечь коммерческий интерес: низкая стабильность, которая приводит к короткому сроку службы.Частично эта проблема связана с катодом, который часто сделан из химически активного металла, который легко окисляется на воздухе. Хотя герметизация катода может минимизировать деградацию, исследователи обнаружили, что они могут полностью устранить потребность в этом реактивном металле, изменив архитектуру устройства.

В перевернутом элементе электрические заряды выходят из устройства в противоположном направлении, как в обычном устройстве. Это происходит потому, что положительный и отрицательный электроды (которые поглощают отрицательный и положительный заряды соответственно) поменяны местами.Инвертирование архитектуры устройства позволяет исследователям делать катод из более подходящего материала; В данном случае исследователи использовали оксид индия и олова (ITO), модифицированный полимером PFN.

Перевернутая структура устройства нового органического фотоэлектрического солнечного элемента, состоящего из фотоактивного слоя (красный), зажатого между анодом и катодом. Изображение предоставлено: He, et al. © Macmillan Publishers Limited, 2012 г.

Хотя инвертированные OPV имеют более длительный срок службы по сравнению с обычными OPV, они обычно не достигают такой высокой эффективности, как обычные OPV.Но текущее исследование опровергло этот стереотип о том, что инвертированные ОПВ обладают худшими характеристиками, продемонстрировав, что ОПВ могут демонстрировать как хорошую стабильность, так и высокую эффективность.

Для достижения этой хорошей производительности исследователи воспользовались характеристикой инверсии, которую часто упускают из виду: способность обеспечивать независимый контроль сбора фотонов из спектра Солнца, что может привести к увеличению поглощения фотонов.Фотоактивный слой ячейки, зажатый между двумя электродами, поглощает поступающие фотоны и фотогенерирует носители заряда. В результате новых улучшений фотоактивный слой может улавливать больше фотонов, чем обычная структура, и, следовательно, генерировать более высокую плотность электрического тока 17,2 мА / см ² по сравнению с 15,4 мА / см ² для обычного устройства.

«Ключевой момент заключается в самой структуре устройства», — сказал Ву. «Когда сопряженный полимер PFN используется в качестве промежуточного слоя между подложкой ITO и фотоактивным слоем, он может как обеспечивать омический контакт для извлечения электронов, так и оптимизировать сбор фотонов.«

Более высокий ток позволяет устройству достичь рекордной эффективности, что было сертифицировано фотоэлектрической лабораторией Newport Technology & Application Center в Лонг-Бич, Калифорния.

Что касается стабильности, тесты показали, что инвертированные OPV сохранили 95% своей начальной эффективности через 62 дня, тогда как обычные устройства потеряли половину своей начальной эффективности через 10 дней.

В качестве бонуса исследователи также продемонстрировали, что конструкция работает для создания полупрозрачных инвертированных PSC, которые могут использоваться в окнах, шторах и невидимых электронных схемах.

Кроме того, исследователи подсчитали, что их новый дизайн может достичь цели 10%, если внести некоторые разумные улучшения. Сотрудничая с Phillips 66 и Solarmer, они надеются выпустить на рынок первые продукты OPV в следующем году.

«Я уверен, что на лабораторном уровне эффективность 10% может быть достигнута очень скоро», — сказал Ву. «Мы продолжаем делать все возможное, чтобы оптимизировать эффективность ОПВ во всех аспектах (начиная с различных систем материалов и конструкций устройств).Когда эффективность будет соответствовать требованиям для дальнейших приложений, мы проведем более глубокие исследования стабильности. Кроме того, мы проводим исследования в области недорогого производства с помощью струйной печати, рулонной печати и т. Д. »

Исследования объясняют, как фазовая сегрегация влияет на эффективность органических фотоэлектрических элементов.

Дополнительная информация:
Zhicai He, et al.«Повышенная эффективность преобразования энергии в полимерных солнечных элементах с использованием перевернутой структуры устройства». Природа Фотоника . DOI: 10.1038 / NPHOTON.2012.190

Пресс-релиз: Phillips 66, Южно-Китайский технологический университет и компания Solarmer Energy установили мировой рекорд по эффективности преобразования солнечной энергии

http://www.phillips66.com/EN/newsroom/news_releases/2012NewsReleases/Pages/08-21-2012.aspx

Copyright 2012 Phys.org

Все права защищены. Этот материал нельзя публиковать, транслировать, переписывать или распространять полностью или частично без письменного разрешения PhysOrg.com.

Ссылка :
Мировой рекорд по эффективности инвертированных полимерных солнечных элементов (31 августа 2012 г.