Розвивається бурхливими темпами сонячна фотовольтаїка дала потужний імпульс появи зовсім нових напрямків у всіх областях, пов'язаних з фотоелектричним перетворенням. Це торкнулося і фізики напівпровідників, і нанотехнологій, і органічної хімії, і охорони навколишнього середовища, і ще багатьох областей науки і техніки, здавалося б, ніяким чином не пов'язаних з цією проблемою. Однією з головних завдань усіх наукових пошуків є заміна кремнію - основного матеріалу для виробництва сонячних батарей - на щось таке, що було б легко виготовляється в промислових кількостях, що не забруднювало б навколишнє середовище ні при виробництві, ні при експлуатації, давало б досить високу ефективність перетворення сонячної енергії в енергію електричну.
Запаси кремнію на нашій планеті невичерпні: земна кора на 20% складається з кремнію. Але отримання чистого кремнію для сонячних батарей - дуже трудомісткий процес, який, до того ж, не нешкідливий в екологічному плані. І ось в результаті багаторічних досліджень з'явилися полімерні сонячні батареї - гелієві осередки, що складаються з органічних матеріалів, тобто з вуглеводневих сполук.
Ефективність деяких сонячних осередків, виготовлених в спеціальних лабораторіях за оригінальною технологією, отримана з одного квадратного сантиметра площі осередку, становила близько 12%, що значно нижче ефективності кремнієвих батарей. Проте роботи по вдосконаленню самих полімерних осередків і підвищення їх ефективності тривають у всьому світі.
матеріали
Основою для матеріалу, з якого виготовляються сонячні осередки такого типу, є вуглеводневі сполуки зі специфічною електронною структурою, відмінно сполучається з π-електронною системою, що надає відповідних матеріалів певні якості аморфних напівпровідників. Типовими представниками органічних напівпровідників є сполучаються полімери і низькомолекулярні сполуки, а також спеціально синтезовані гібридні структури, такі як фталоцианин міді. Перший органічний фотоелемент був отриманий в 1985 році американським дослідником Чінг У Таном. Він складався з фталоцианина міді і підготовленої відповідним чином похідною PTCDA (перил-3,4,9,10-тетракарбоніл-3,4,9,10-диангидридов).
Структура однослойного сонячного елемента
Перша полімерна сонячна комірка представляла собою двошаровий елемент і була отримана на базі сполученої π-електронної системи (донор електронів) і фулерену (акцептор електронів), причому шар фуллерена наносився після того, як був повністю сформований шар донора. У цих сонячних осередках шар, що реагує на світлове випромінювання, складається з сполучених вуглеводнів, які переходять в активний стан при опроміненні їх світлом. Це активний стан характеризується появою надлишку вільних електронів і дірок в парі шарів донор-акцептор, які, власне, і створюють різницю потенціалів між електродами.
З технологічної точки зору полімерні сонячні осередки приваблюють своєю низькою затратностью при масовому виробництві гнучких елементів фотовольтаїки з порівняно простою структурою. Подібні технології є свого роду перехідною фазою перед виробництвом більш складних багатошарових систем.
Принцип роботи
Найбільш ефективні зразки полімерних сонячних елементів створені з використанням так званої донорно-акцепторної системи, тобто на оптимальному поєднанні різних напівпровідникових матеріалів, які при опроміненні їх світлом показують надзвичайно швидкий трансферт (менше однієї пікосекунди) носія від донора до акцептора (наприклад, тонкі плівки пов'язаних полімерів і фулеренів). Такі донорно-акцепторні пари відрізняються один від одного зміщеними позиціями електрохімічних потенціалів, а саме вищої зайнятої молекулярної орбиталью і нижчої незайнятої молекулярної орбиталью. Ці орбіталі в деякому роді можна порівняти з зонної схемою неорганічних напівпровідників.
Структура багатошарового сонячного елемента
Після поглинання фотонів, енергія яких дозволяє долати бар'єр між вищою і нижчою орбиталями, виникають так звані екситон (електростатично пов'язані пари позитивних і негативних зарядів), поділені протягом короткого часу в граничної донорно-акцепторної зоні. Після поділу відбувається селективне перенесення заряду в два напівпровідника. Носії зарядів рухаються неупорядоченно і змінюють своє положення в напівпровіднику «стрибками», так як це обумовлено наявністю безлічі енергетичних бар'єрів. Носії наштовхуються на безліч фазових і молекулярних бар'єрів, які є у внутрішній структурі напівпровідника, в кінцевому рахунку відбувається рекомбінація, що приводить до втрати чергових двох носіїв заряду.
У полімерному сонячному елементі є поглинаючий шар (отриманий на стадії рідкої фази або методом вакуумного напилення), що складається з равнооб'емние суміші органічних напівпровідників донорного і акцепторного типів. Цей шар наноситься на прозорий електрод і дає можливість пропустити практично весь одержуваний світло, щоб максимізувати корисну дію фотонів в активному шарі. У той же час цей шар повинен мати якомога низький опір. Найважливішим якістю полімерного сонячного елемента є та робоча функція, яка визначає, з яким із двох напівпровідників воліє обмінюватися зарядом носій (негативним або позитивним - відповідно, електронним або дірковим). На протилежну сторону поглинає шару напилюється металевий електрод, на який стікаються носії заряду, які виходять від прозорого електрода.
Невикористаний світло, відбите від металевого електрода, збільшує вихід електрики, так як при повторному проходженні яка поглинає шару фотони можуть активувати не активовані раніше носії. Крім того, товщина поглинаючого шару між прозорим і металевим електродами може бути оптимізована для отримання максимального ефекту поглинання світла в певній області спектра.
Полімерний сонячний модуль
Напруга на клемах полімерної сонячної комірки визначається в значній мірі функціональними особливостями кожного з електродів. Щоб отримати високе значення ефективності фотоелектричного перетворення, поглинаючий шар полімерного напівпровідника повинен мати максимально можливу рухливість обох знаків для того, щоб вони могли бути фізично розділені після поглинання настільки швидко, наскільки це можливо. Відповідно буде забезпечено і швидке потрапляння носіїв на відповідний електрод. В даний час полімерні напівпровідники мають порівняно низьку рухливість. Оптимальна товщина поглинаючого шару знаходиться в межах до декількох сотень нанометрів.
Переваги та недоліки полімерних сонячних батарей
Потенційними перевагами полімерних сонячних батарей в порівнянні зі звичайними кремнієвими є:
- Низькі виробничі витрати за рахунок більш дешевих технологій виробництва і більш низької вартості матеріалу.
- Гнучкість, прозорість, простота використання.
- Енергозберігаюче виробництво.
недоліки:
- Низька ефективність (на даний момент тільки в деяких лабораторіях була досягнута ефективність 12%).
- Низька ефективність вимагає великих площ, щоб досягти необхідних потужностей.
- Недовговічність через розкладання органічних сполук на сонячному світлі.
Наукові дослідження та експерименти тривають, і немає сумнівів в тому, що всі проблеми, пов'язані з полімерними сонячними батареями, будуть вирішені.
