Elastyczne rozwiązania fotowoltaiczne łączą wysoką wydajność i szeroki zasięg
Energia słoneczna stale zyskuje na znaczeniu, ponieważ świat stara się zmniejszyć swoją zależność od paliw kopalnych i przejść na wykorzystanie czystszych, bardziej zrównoważonych źródeł energii elektrycznej. Dzięki swojej niedrogiej i lekkiej konstrukcji organiczne ogniwa słoneczne na bazie polimerów stały się obiecującą alternatywą dla konwencjonalnej fotowoltaiki opartej na krzemie.
Zalety organicznych ogniw słonecznych na bazie polimerów
„Organiczne ogniwa słoneczne nowej generacji na bazie polimerów oferują szereg zalet w porównaniu z tradycyjnymi przetwornikami energii słonecznej, szczególnie w zastosowaniach niszowych”, zauważa Riccardo Po, koordynator LABandFAB, projektu finansowanego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. Ich mechanizm działania opiera się na fotoindukowanym transferze elektronów z polimerowego dawcy do cząsteczki otrzymującej, umożliwiając wydajną konwersję energii słonecznej. Zasadniczo organiczne ogniwa fotowoltaiczne mogą być wytwarzane przy użyciu niskotemperaturowych procesów drukowania lub powlekania farbami na bazie rozpuszczalników, dzięki czemu są kompatybilne z elastycznymi podłożami z tworzyw sztucznych. „Ostatnie osiągnięcia laboratoryjne w dziedzinie fotowoltaiki organicznej zaowocowały uzyskaniem wydajności konwersji energii sięgającej 20 % dzięki ulepszonej inżynierii materiałowej, starannej kontroli morfologii warstwy fotoaktywnej i zastosowaniu specjalnie dostosowanych architektur urządzeń”, wyjaśnia Po. Pomimo tego postępu potencjał powszechnego komercyjnego zastosowania tej technologii pozostaje niewykorzystany.
Wyzwania związane z komercjalizacją organicznych ogniw fotowoltaicznych
„Sukces na rynku organicznych technologii fotowoltaicznych zależy od przeniesienia wyników badań laboratoryjnych na moduły o dużej powierzchni produkowane w drukarniach wielkonakładowych”, dodaje Po. „Jednak opracowywanie organicznej fotowoltaiki nadal utrudnia szereg czynników związanych ze złożonością materiału i technologią produkcji”. Jednym z krytycznych wymagań dotyczących drukowania aktywnego roztworu tuszu jest uzyskanie powłoki o grubości wystarczającej do uniknięcia otrzymania otworów i zwarć w urządzeniach fotowoltaicznych. Większość opublikowanych badań dotyczących wysokowydajnych urządzeń opartych na akceptorach niezawierających fulerenu podaje grubość około 100 nm. Choć grubości te mogą być kompatybilne z technikami osadzania w skali laboratoryjnej, takimi jak powlekacz obrotowy, nie są one odpowiednie w przypadku technik osadzania z roli na rolę. Ta różnica w skalowalności stanowi wyzwanie przy przejściu ze skali badań laboratoryjnych do produkcji komercyjnej. Aby pokonać te przeszkody i skomercjalizować organiczne ogniwa fotowoltaiczne, naukowcy stworzyli projekt LABandFAB. Zespół projektowy badał nowe materiały i techniki, które mogłyby zwiększyć wydajność i stabilność technologii. Obejmowało to syntezę nowego sprzężonego polimeru o małej złożoności syntetycznej (co przekłada się na niższy koszt materiału), wydajności konwersji energii sięgającej 10 % i ponad 2300 godzin stabilności w okresie przechowywania. „Zbadaliśmy techniki osadzania zgodne z techniką z roli na rolę, takie jak powlekanie raklowe, które umożliwiają wytwarzanie organicznych ogniw słonecznych przy użyciu niechlorowanych rozpuszczalników”, zauważa Po. „To przyjazne dla środowiska podejście może znacznie obniżyć koszty i złożoność produkcji organicznych ogniw słonecznych, czyniąc je bardziej dostępnymi dla zastosowań komercyjnych”.
Równoważenie wydajności i dostępności
Chociaż dążenie do wyższych poziomów sprawności jest ważne, zespół projektu LABandFAB podkreślił również potrzebę znalezienia równowagi między wydajnością a dostępnością. Metaanaliza wykazała nieuchronność spadku sprawności organicznej warstwy fotowoltaicznej wraz ze wzrostem jej grubości. Spadek ten można jedynie częściowo złagodzić poprzez mądre wykorzystanie wysoce wyspecjalizowanych zasobów. W związku z tym, aby zwiększyć świadomość wśród badaczy na temat tej często pomijanej kwestii, zaproponowano nowe kryterium jakości. Zespół projektu LABandFAB skupił się również na opracowaniu metod enkapsulacji i alternatywnych podejść do przewidywania badań stabilności, które mogą pomóc usprawnić proces testowania i oceny nowych organicznych materiałów i projektów fotowoltaicznych. Pomimo późnego rozpoczęcia projektu LABandFAB z powodu ograniczeń związanych z pandemią COVID-19 poczyniono znaczne postępy w rozwoju organicznych ogniw słonecznych na bazie polimerów. Wyniki projektu wniosły cenny wkład do społeczności zajmującej się badaniami nad fotowoltaiką organiczną, czego efektem są dwie ważne publikacje, które można znaleźć w czasopismach Advanced Materials(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i Solar RRL(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
