Фотоэлементы бывают разные: белые, черные, красные…

Существуют различные типы солнечных батарей: аморфные, поли- и монокристаллические, но наиболее перспективными на сегодняшний день считаются СБ, при производстве которых используются органические материалы. Почему ученые выбирают именно этот тип солнечных панелей? Действительно ли органика станет материалом будущего? Вопросов много, есть и такие, на которые не смогут ответить даже сами разработчики. Можно лишь делать предположения и догадываться о том, что ждет нас в будущем.

Но уже сегодня есть ряд вопросов, ответы на которые получены в полном объеме. Существует ни один пример, который наглядно доказывает преимущества органических батарей перед другими их разновидностями. Рассмотрим эти примеры более наглядно и сделаем свои собственные выводы, опираясь на знания, а не домыслы.

Общее понятие и принцип действия

Основу всего производства составляют органические материалы, в состав которых в основном входят углерод, кислород, водород и азот. Использование данных веществ позволяет минимизировать стоимость готовых фотоэлементов в несколько раз. Особенно это заметно на фоне дорогостоящего кремния, который пока является одним из основных материалов, применяемых при производстве СБ.

Коэффициент полезного действия органических СБ на данный момент значительно уступает КПД других типов солнечных батарей, но ученые продуктивно работают над этой проблемой. Систематически появляется информация о новых рекордных достижениях в сфере их эффективности. Если на 2007 год эта цифра составляла 6,5%, то сегодня мы перешагнули порог в 10%. На первый взгляд может показаться, что отрыв не очень большой, но поверьте, для солнечной энергетики даже доля процента – уже следующий шаг к новым достижениям.

Рисунок 1 демонстрирует последовательность размещения слоев, из которых состоят органические солнечные батареи. Под действием солнечного света происходит высвобождение электронов из молекул фоточувствительного слоя, которые затем переходят в слой оксида титана. В качестве подложки используется пластмассовая или стеклянная поверхность. А на рисунке 2 представлены материалы, имеющие лучшие показатели эффективности при производстве органических СБ, это PCBM – эфир масляной кислоты, P3HT – политиофен и других сложные соединения.

Наиболее интересные примеры

В прошлом году дружный коллектив японских и австрийских физиков представил фотоэлемент, толщина которого составляет всего несколько микрометров. Но самое необычное заключается в том, что сверхтонкий органический элемент можно несколько раз обернуть вокруг волоса и его производительность от этого не изменится. Это «чудо» состоит из нескольких слоев сложных органических соединений, которые разместили между двумя пленками из лавсана. Уникальный фотоэлемент можно растягивать, сжимать и при этом не беспокоиться о возможных механических повреждениях. Вот только КПД составляет всего 4%, но зато какие возможности показывает это сверх пластичная разработка.

А вот в марте нынешнего года заговорили о солнечной батарее на основе древесины. И это не опечатка. Технологический институт Джорджии решил не использовать стеклянную или пластмассовую подложки, а заменил ее целлюлозой, на поверхности которой и разместился фоточувствительный органический слой. Эффективность минимальная, меньше 3%. Зато подобная солнечная батарея – первая абсолютно экологически чистая разработка. Теперь груды битого стекла после утилизации нам не страшны.

Смотрим через солнечные батареи как через стекло

Прозрачные солнечные батареи – вот что занимает умы инженеров-технологов по всему миру. Первые подобные образцы появились еще несколько лет назад. И практически каждая группа ученых считает своим долгом внести свой вклад в их дальнейшее развитие, кто-то очень успешно, кто-то менее.

Меньше всего повезло ученым из Массачусетса. Они смогли добиться всего лишь 2% эффективности. А вот их коллегам из Калифорнии удача улыбнулась в большей степени. КПД в 7,3% при прозрачности до 70%. Конечно, непрозрачные органические батареи имеют более высокий КПД, но рассматриваемая их разновидность обладает другим не менее важным качеством – пропускает сквозь себя свет.

Лидером в этой сфере можно считать компанию Wysips. Она уже давно занимается подобными разработками, и с каждым разом улучшает свои показатели. Так в начале нынешнего года они представили солнечные батареи с прозрачностью 90%. Остается совсем немного до абсолютного значения в 100%.

Найдут ли применение прозрачные фотоэлементы?

Сегодня рассматривают как минимум 2 различные области, в которых прозрачные солнечные батареи могли бы использоваться очень успешно.

1. Остекление зданий.
2. Электронные устройства, такие как планшеты, мобильные телефоны, смартфоны и т.д.

Для обычных окон достаточно 55-90% прозрачности, современные образцы как раз вписываются в этот интервал. Но стоит понимать, что о замене кремниевых батарей речь не идет, потому что низкая эффективность прозрачных панелей является сложным препятствием на пути к полному автономному энергообеспечению. Но учитывая, что площадь самого здания гораздо больше площади его крыши, установка подобных панелей может добавить значительное количество бесплатных киловатт к тому, что Вы уже получаете от альтернативных источников. Эту идею подхватила компания Sharp, представившая прозрачные панели толщиной 0,37 дюйма и с КПД 6,8%. Отличный вариант для тех, кто хочет, чтобы его окна не только пропускали свет, но и генерировали электроэнергию.

И второй вариант использования – пленки на экраны электронных устройств. Те, кто активно пользуются подобными гаджетами согласятся, что, зачастую, даже самая емкая аккумуляторная батарея может подвести. А если на экране Вашего мобильного телефона будет размещаться прозрачная солнечная батарея, проблема будет решена. Без зарядного устройства, конечно, не обойтись, но в случае разрядки аккумулятора, энергии, генерируемой СБ, на один звонок точно хватит. Используемые технологии у всех разные, но каждый институт, Кембриджский, Массачусетский, Калифорнийский, стремится стать первым, кто предложит самую дешевый и эффективный вариант. Посмотрим, кто из них окажется на коне.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Дмитрий Паращук рассказывает об органических СБ: