Panourile solare polimerice sunt un tip de panouri solare care produc energie electrică din lumina soarelui. Ea provine din 1992, când au fost publicate pentru prima dată datele privind transferul de sarcină de la un polimer semiconductor la un acceptor . [1] Tehnologie relativ nouă, cercetată activ în universități, laboratoare naționale și mai multe companii din întreaga lume. Sunt demonstrate dispozitive prototip cu o eficiență de conversie a energiei de 17,4%. [2]
Celulele solare polimerice sunt de obicei pelicule subțiri de materiale polimerice suprapuse unele peste altele în straturi care îndeplinesc diverse funcții. [3] În funcție de substrat, grosimea unei singure baterii poate fi de la 500 de nanometri. [4] Deci, pe o bază (substrat) polimerică transparentă, acoperită cu un strat conductiv de oxid de indiu-staniu , care servește drept electrod , se aplică un strat fotoactiv, format dintr- un acceptor de electroni și un donor de electroni . [5]
Există două tipuri de straturi fotoactive:
Pe partea superioară a stratului fotoactiv se află un electrod metalic , calciu , aluminiu sau argint , în funcție de arhitectura bateriei. În probele moderne, între stratul fotoactiv și electrozi sunt plasate straturi suplimentare: electron - conductiv sau orificiu- conductiv, sau, respectiv, blocarea electronilor și blocarea orificiilor . Locația acestor straturi în raport cu stratul fotoactiv este determinată de arhitectura bateriei. [opt]
Există două tipuri de arhitectură a bateriei: directă (standard) sau inversă (inversată). În inversat, după cum sugerează și numele, sarcinile electrice sunt extrase de electrozi opuși. Deci, studiile au arătat că bateriile cu arhitectură standard au o eficiență mai mare decât cele inversate, dar stabilitatea este mai mică.
Stabilitatea scăzută se datorează faptului că bateriile standard folosesc calciu ca electrod, care se oxidează rapid în aer în oxid de calciu , care are o conductivitate slabă . La rândul său, arhitectura inversă permite utilizarea argintului și aurului ca electrozi , care sunt mai rezistenți la oxidare. [9]
Pentru a îmbunătăți extracția electronilor în bateriile răsturnate, se folosesc adesea oxizi conductivi transparenți, cum ar fi oxidul de titan și oxidul de zinc , adesea sub formă de nanoparticule sau filme nanostructurate. Recent, s-a acordat mai multă atenție studiilor altor straturi care pot îmbunătăți extracția electronilor, inclusiv straturile de polimer.
Pentru a îmbunătăți extracția orificiilor, sunt utilizați polimeri conductori transparenți , cum ar fi un amestec de poli(3,4-etilendioxitiofen) și polistiren sulfonat (PEDOT:PSS) sau alți oxizi conductori cu niveluri electronice mai adecvate, cum ar fi oxidul de vanadiu, oxidul de molibden . Recent, semiconductorii pe bază de grafen și oxid de grafen au atras un interes din ce în ce mai mare.
În celulele solare polimerice, stratul fotoactiv este format din două tipuri de materiale: un donor și un acceptor . Când lumina lovește suprafața bateriei, donatorul (de obicei un polimer conjugat ) absoarbe un foton de lumină. Lungimea de undă (adică energia) acestui foton depinde direct de structura chimică a donatorului și de organizarea acestuia în stratul de film (de exemplu, cristalinitatea). Energia fotonului absorbit excită electronul de la starea fundamentală la starea excitată sau de la cel mai înalt orbital molecular ocupat (în engleză HOMO) la cel mai jos orbital molecular liber (în engleză LUMO). [zece]
Cvasiparticula rezultată dintr-o astfel de excitație se numește exciton Frenkel și constă dintr-o gaură (adică absența unui electron, sarcină pozitivă ) și un electron excitat ( sarcină negativă ). [11] Un exciton nu are sarcină și nu poate servi ca purtător, dar se poate mișca prin sistemul donator conjugat. În funcție de starea de spin , excitonii pot fi singlet sau triplet . Durata de viață a unui exciton singlet este de nanosecunde, iar cea a unui exciton triplet este de aproximativ o milisecundă sau mai mult. În anumite condiții, un exciton singlet se poate transforma într-un triplet. [12]
Excitonul se mișcă în sistemul donor nu mai mult de 5-20 nm, în funcție de tipul de polimer. Apoi are două opțiuni:
Pentru celulele solare polimerice, aceasta din urmă cale reprezintă o pierdere de eficiență: doar excitonii sunt importanți , care se pot disocia. Energia de conjugare a unei găuri și a unui electron într- un exciton în sistemele polimerice este foarte mare, aproximativ 0,5-1 eV și, prin urmare, la temperatura camerei, componenta termodinamică nu este suficientă pentru a împărți excitonul în sarcini . [13] Prin urmare, două aspecte sunt importante pentru separarea excitonilor: absența ordinii în sistem (tulburarea engleză) și prezența celei de-a doua componente, acceptorul.
Cel mai jos orbital molecular liber al acceptorului trebuie să aibă o energie mai mică pentru a iniția disocierea excitonului și pentru a facilita transferul unui electron către moleculele acceptoare. De exemplu, disocierea excitonilor are loc la interfața dintre două faze: donor și acceptor; prin urmare, eficiența disocierii excitonilor este mult mai mare în sistemele cu faze mixte. [14] Calitatea limitelor celor două faze, așa-numita interfață, determină în mare măsură eficiența bateriei, în special puterea curentului generat . Când excitonul se disociază, electronul trece la acceptor, iar gaura rămâne în faza donor.
Cu toate acestea, după disociere, gaura și electronul nu sunt sarcini separate. Ele se află la limita de fază într-o stare legată sub forma unui așa-numit complex de tranziție sau complex de transfer de sarcină , constând dintr-un electron și o gaură, încă conectate între ele, dar cu o energie mai mică decât într-un exciton. [15] Un astfel de complex se poate separa complet sub acțiunea unui câmp intern (determinat de diferența dintre nivelurile de energie ale donorului și acceptorului) sau se poate recombina (se poate combina într-un electron la nivelul solului fără a elibera energie prin radiație ). [16] O astfel de recombinare se numește geminat deoarece ambii parteneri de recombinare au o origine comună (din același exciton).
Dacă electronul și gaura au reușit să se separe, atunci se deplasează la electrozi , unde sunt extrași de electrozii corespunzători. Electronul se deplasează în faza acceptor către catod , iar gaura se deplasează în faza donor către anod . Dacă, pe drum, sarcinile individuale întâlnesc o sarcină opusă, care nu a ajuns la electrod din anumite motive, atunci se recombină și ele. [17] O astfel de recombinare se numește non-dublă, deoarece electronul recombinat și gaura au o origine diferită (din excitoni diferiți). Recombinarea sarcinilor este unul dintre factorii care limitează eficiența celulelor solare, deoarece sarcinile recombinate nu pot fi extrase. [optsprezece]
Deoarece pentru transportul de încărcare cu succes fiecare fază trebuie să fie continuă pe tot stratul fotoactiv, astfel încât încărcarea să ajungă la electrozi fără piedici, cea mai bună extracție se observă în baterii unde stratul acceptor este depus pe stratul donor fără amestecare. Cu toate acestea, pentru disocierea excitonilor, această abordare este ineficientă din cauza limitei mici de fază.
Astfel, morfologia optimă a stratului fotoactiv este un compromis între transportul de electroni și disocierea excitonilor la limita de fază. Morfologia optimă a stratului depinde de un număr mare de factori: structura chimică a donorului și acceptorului, proprietățile lor termice, temperatură și solvent și metoda de preparare a stratului. [19] [20] [21]
În comparație cu dispozitivele bazate pe tehnologia cu siliciu, celulele solare polimerice sunt ușoare (importante pentru senzorii mici off-grid), accesibile, ieftine de fabricat, flexibile, au un impact neglijabil asupra mediului, dar randamentul energetic abia ajunge la un sfert din cel solar cu siliciu convențional. celule.. [22] [23] Celulele solare polimerice suferă și ele de un efect de degradare semnificativ: eficiența lor este redusă de mediu. Învelișuri de protecție bune nu au fost încă dezvoltate.
Amploarea concurenței comerciale cu celulele solare cu siliciu rămâne o întrebare deschisă. Deși celulele polimerice sunt relativ ieftine de fabricat, industria celulelor solare cu siliciu are un avantaj industrial important în capacitatea de a utiliza infrastructura de siliciu dezvoltată pentru industria calculatoarelor. Cu toate acestea, producătorii de celule solare sunt dezavantajați, deoarece trebuie să concureze cu industria mai mare de calculatoare pentru siliciu de înaltă calitate.
Eficiența rămâne o provocare pentru acest tip de tehnologie. Bateriile tradiționale din silicon ating o eficiență de 20% sau mai mult. Cea mai mare eficiență a fost obținută pentru panourile solare utilizate pentru alimentarea sateliților spațiali. Astfel de baterii demonstrează o eficiență de până la 40%, care este, în consecință, de două ori mai mare decât cea a bateriilor „împământate”.