Органические солнечные батареи
Органические солнечные батареи – это вид батарей, использующих органическую электронику для переноса заряда и получения электроэнергии от солнечного света. Большая часть фотоэлементов состоит из полимерных солнечных элементов. Преимущества органических солнечных батарей в том, что их производство дешевле, чем неорганических. Их недостатки заключаются в низком КПД и нестабильной работе.
Органические батареи отличаются от неорганических тем, что при поглощении света в них не возбуждается носителя заряда, а образуются экситоны. Экситон — квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Чтобы экситон стал носителем заряда, надо его разорвать.
Органически солнечные батареи различаются по типа «архитектуры». Выделяют 3 типа:
1) Однослойные 2) Двуслойные 3) Объемные.
Однослойные батареи являются самым простым типом органических фотоэлементов. Они представляют собой два металлических проводника, обычно это оксид индия-олова и металл (Al, Mg, Ca), между которыми помещен проводящий органический полимерный материал. Разница работ выхода двух металлических проводников создает электрическое поле в полимерном материале, что помогает разделить образующиеся экситоны. Подобные батареи не применимы, потому что они обладают малой мощностью, а электрическое поле, созданное разностью работ выхода, очень слабо чтобы разделить экситоны. Пример солнечной батареи с такой структурой Al/ Фталоцианин магния / Ag.
Двуслойные элементы содержат два слоя органического проводящего материала между электродами. Один слой с более высокими значениями сродства к электрону и энергией ионизации является акцептором, другой слой – донором. На разделе двух слоев возникают электростатические силы, которые помогают разделению экситонов. Но есть и недостаток такой конструкции. Он заключается в том, что длина диффузии экситонов около 10 нм, а полимерный слой должен быть не менее 100 нм для поглощения достаточного количества света, следовательно, из-за такой толщены не все экситоны могут достигнуть границы.
Так как экситоны могут двигаться на очень маленькие расстояния, а время их жизни очень мало, были созданы объемные гетеропереходы, в которых любой путь перехода очень мал. Преимущество такого строение ни только в легкости перехода экситонов, но и в том, что они могут быть сделаны достаточно толстыми для эффективного поглощение света.
Органические элементы
В солнечных батареях используют такие органические соединения как парилен, тефлон, полиимид и полиэтилентерефталатная пленка. Они используются для изолирования солнечного элемента от окружающей среды.
Метиловый эфир фенил-С61-масляной кислоты использовался как акцептор-электронов, но из-за стоимости производства фуллеренов, он не применим для коммерческого использования.
Так же около года назад был проведен опыт с новыми нефуллереновыми акцепторами, которые показали КПД 17% на площади 0.09 см. кв. и 15% на площади 1 см. кв
В 2019 году разработали солнечный элемент на основе поли-3-гексилтиофена и O-IDTBR (5,5'-[[4,4,9,9-Tetraoctyl-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene-2,7-diyl]bis(2,1,3-benzothiadiazole-7,4-diylmethylidyne)]bis[3-ethyl-2-thioxo-4-thiazolidinone]) (рисунок 3), и он показал КПД 6.47% на площади 0.1 см. кв..
Перспективы
Перспективы таких фотоэлементов заключается в относительно недорогом производстве, легкости и гибкости. Но пока есть много нерешенных вопросов, связанных не только с КПД солнечных элементов, но и с нестабильностью работы и нагреванием. Однако, количество научных статей на тему органических элементов солнечных батарей растет с каждым годом, и можно предположить, что решение этих проблем будет найдено.