Polymerové solární panely jsou typem solárních panelů , které vyrábějí elektřinu ze slunečního záření. Pochází z roku 1992, kdy byly poprvé publikovány údaje o přenosu náboje z polovodičového polymeru na akceptor . [1] Relativně nová technologie, aktivně zkoumaná na univerzitách, národních laboratořích a několika společnostech po celém světě. Jsou předvedeny prototypy zařízení s účinností přeměny energie 17,4 %. [2]
Polymerní solární články jsou obvykle tenké filmy z polymerních materiálů navrstvené na sebe ve vrstvách , které plní různé funkce. [3] V závislosti na substrátu může být tloušťka jedné baterie od 500 nanometrů. [4] Na transparentní polymerní základ (substrát), pokrytý vodivou vrstvou oxidu india a cínu , sloužící jako elektroda , je tedy nanesena fotoaktivní vrstva skládající se z akceptoru elektronu a donoru elektronu . [5]
Existují dva typy fotoaktivních vrstev:
Na horní straně fotoaktivní vrstvy je kovová elektroda , vápník , hliník nebo stříbro , v závislosti na architektuře baterie. V moderních vzorcích jsou mezi fotoaktivní vrstvu a elektrody umístěny další vrstvy: elektronově vodivé nebo děrově vodivé , respektive elektrony blokující a děrově blokující . Umístění těchto vrstev vzhledem k fotoaktivní vrstvě je určeno architekturou baterie. [osm]
Existují dva typy architektury baterie: přímá (standardní) nebo reverzní (invertovaná). V obráceném, jak název napovídá, jsou elektrické náboje extrahovány protilehlými elektrodami. Studie tedy ukázaly, že baterie standardní architektury mají vyšší účinnost než invertované, ale stabilita je nižší.
Nízká stabilita je způsobena tím, že standardní baterie používají jako elektrodu vápník , který na vzduchu rychle oxiduje na oxid vápenatý , který má špatnou vodivost . Reverzní architektura zase umožňuje použití stříbra a zlata jako elektrod , které jsou odolnější vůči oxidaci. [9]
Pro zlepšení extrakce elektronů ve flipovaných bateriích se často používají transparentní vodivé oxidy, jako je oxid titaničitý a oxid zinečnatý , často ve formě nanočástic nebo nanostrukturních filmů. V poslední době je věnována větší pozornost studiím dalších vrstev, které mohou zlepšit extrakci elektronů, včetně polymerních vrstev.
Pro zlepšení extrakce otvorů se používají transparentní vodivé polymery , jako je směs poly(3,4-ethylendioxythiofenu) a polystyrensulfonátu (PEDOT:PSS) nebo jiné vodivé oxidy s vhodnějšími elektronickými úrovněmi, jako je oxid vanadu , oxid molybdenu . V poslední době přitahují stále větší zájem polovodiče na bázi grafenu a oxidu grafenu.
V polymerních solárních článcích se fotoaktivní vrstva skládá ze dvou typů materiálů: donoru a akceptoru . Když světlo dopadne na povrch baterie, dárce (obvykle konjugovaný polymer ) absorbuje foton světla. Vlnová délka (tj. energie) tohoto fotonu přímo závisí na chemické struktuře dárce a jeho organizaci ve vrstvovém filmu (například krystalinitě). Absorbovaná energie fotonu excituje elektron ze základního stavu do excitovaného stavu nebo z nejvyššího obsazeného molekulárního orbitalu (anglicky HOMO) do nejnižšího volného molekulárního orbitalu (anglicky LUMO). [deset]
Kvazičástice vyplývající z takové excitace se nazývá Frenkelův exciton a skládá se z díry (tj. nepřítomnost elektronu, kladný náboj ) a excitovaného elektronu (záporný náboj ). [11] Exciton nemá žádný náboj a nemůže sloužit jako nosič, ale může se pohybovat konjugovaným donorovým systémem. V závislosti na stavu spinu mohou být excitony singletové nebo tripletové . Životnost singletového excitonu je nanosekunda a tripletového excitonu je asi milisekunda nebo více. Za určitých podmínek se singletový exciton může přeměnit na triplet. [12]
Exciton se v donorovém systému nepohybuje dále než 5-20 nm, v závislosti na typu polymeru. Pak má dvě možnosti:
U polymerních solárních článků tato druhá cesta představuje ztrátu účinnosti: důležité jsou pouze excitony , které se mohou disociovat. Konjugační energie díry a elektronu v excitonu v polymerních systémech je velmi vysoká, asi 0,5-1 eV , a proto při pokojové teplotě nestačí termodynamická složka k rozdělení excitonu na náboje . [13] Pro separaci excitonů jsou proto důležité dva aspekty: nepřítomnost řádu v systému (anglicky disorder) a přítomnost druhé složky, akceptoru.
Nejnižší volný molekulový orbital akceptoru musí mít nižší energii, aby inicioval disociaci excitonu a usnadnil přenos elektronu na molekuly akceptoru. Například k disociaci excitonu dochází na rozhraní mezi dvěma fázemi: donorovou a akceptorovou, proto je účinnost disociace excitonu mnohem vyšší v systémech se smíšenými fázemi. [14] Kvalita rozhraní dvou fází, tzv. rozhraní, do značné míry určuje účinnost baterie, zejména sílu generovaného proudu . Když exciton disociuje, elektron přejde k akceptoru a díra zůstane v donorové fázi.
Po disociaci však díra a elektron nejsou samostatné náboje. Sídlí na fázovém rozhraní ve vázaném stavu ve formě tzv. přechodového komplexu neboli komplexu přenosu náboje , skládajícího se z elektronu a díry, které jsou stále vzájemně spojeny, ale s nižší energií než v excitonu. [15] Takový komplex se může působením vnitřního pole buď zcela oddělit (určeno rozdílem energetických hladin donoru a akceptoru), nebo rekombinovat (spojit se na elektron na úrovni země bez uvolnění energie zářením ). [16] Taková rekombinace se nazývá geminát, protože oba rekombinující partneři mají společný původ (ze stejného excitonu).
Pokud se elektron a díra podařilo oddělit, přesunou se k elektrodám , kde jsou extrahovány odpovídajícími elektrodami. Elektron se pohybuje v akceptorové fázi ke katodě a díra se pohybuje v donorové fázi k anodě . Pokud se na své cestě jednotlivé náboje setkají s opačným nábojem, který se k elektrodě z nějakého důvodu nedostal, pak se také rekombinují. [17] Taková rekombinace se nazývá nedvojná, protože rekombinovaný elektron a díra mají odlišný původ (z různých excitonů). Rekombinace náboje je jedním z faktorů omezujících účinnost solárních článků, protože rekombinované náboje nelze extrahovat. [osmnáct]
Protože pro úspěšný transport náboje musí být každá fáze v celé fotoaktivní vrstvě spojitá, aby se náboj dostal k elektrodám bez překážek, nejlepší extrakce je pozorována u baterií, kde je akceptorová vrstva nanesena na donorovou vrstvu bez promíchání. Pro disociaci excitonů je však tento přístup neefektivní kvůli malé fázové hranici.
Optimální morfologie fotoaktivní vrstvy je tedy kompromisem mezi transportem elektronů a disociací excitonu na fázovém rozhraní. Optimální morfologie vrstvy závisí na velkém množství faktorů: chemické struktuře donoru a akceptoru, jejich tepelných vlastnostech, teplotě a rozpouštědle a způsobu přípravy vrstvy. [19] [20] [21]
Ve srovnání se zařízeními založenými na křemíkové technologii jsou polymerové solární články lehké (důležité pro malé off-grid senzory), dostupné, nenákladné na výrobu, flexibilní, mají zanedbatelný dopad na životní prostředí, ale energetická výtěžnost sotva dosahuje jedné čtvrtiny oproti konvenčním křemíkovým solárním článkům. buňky. [22] [23] Polymerové solární články také trpí výrazným degradačním efektem: jejich účinnost je snižována prostředím. Dobré ochranné nátěry dosud nebyly vyvinuty.
Otevřenou otázkou zůstává rozsah komerční konkurence křemíkových solárních článků. Přestože je výroba polymerních článků relativně levná, průmysl křemíkových solárních článků má důležitou průmyslovou výhodu v tom, že je schopen využívat křemíkovou infrastrukturu vyvinutou pro počítačový průmysl. Výrobci solárních článků jsou však v nevýhodě, protože musí soutěžit s větším počítačovým průmyslem o vysoce kvalitní křemík.
Výzvou pro tento typ technologie zůstává efektivita. Tradiční silikonové baterie dosahují účinnosti 20 % nebo více. Nejvyšší účinnosti bylo dosaženo u solárních panelů používaných k napájení vesmírných satelitů. Takové baterie vykazují účinnost až 40 %, což je tedy dvakrát více než u "zemních" baterií.