Новое открытие приближает появление доступных и гибких солнечных батарей

Открытие ученых из Уорикского университета ставит под сомнение принятое правило дизайна органических солнечных элементов. Основные его тезисы:

• Может способствовать созданию недорогих, гибких и стабильных органических солнечных батарей для использования на транспортных средствах, изогнутых поверхностях и окнах.
• Уменьшение площади поверхности электродов в органических солнечных элементах не снижает производительность, если проводящие части расположены близко друг к другу.
• Композиты из изолирующих полимеров и проводящих наночастиц могут иметь преимущества перед ограниченным диапазоном материалов, используемых в настоящее время.

Благодаря открытию, которое бросает вызов традиционному представлению об одном из ключевых компонентов органических солнечных батарей, их можно будет использовать на различных изогнутых поверхностях, например, на корпусе автомобиля. Как известно, они состоят из смеси органических молекул для поглощения солнечного света и преобразования его в электричество.

Основной элемент устройства включает в себя тонкую пленку органических полупроводников, зажатую между двумя электродами. Она выводит во внешнюю цепь генерируемые заряды. Принято считать, что 100% поверхности каждого электрода должно быть электропроводным, чтобы максимизировать эффективность извлечения заряда.

Но ученые из Уорикского университета обнаружили, что на самом деле для продуктивной работы подобных конструкций электроды нуждаются в электропроводности примерно на 1% площади их поверхности. Это открывает возможности для использования целого ряда композитных материалов для повышения производительности и снижения стоимости. Об этом стало известно 11 сентября 2019 года из публикации в журнале «Advanced Functional Materials».

Доктор Р.Хаттон, научный руководитель данного исследования из факультета химии Уорикского университета заявил о том, что они поставили под сомнение широко распространено мнение относительно необходимости максимального увеличения площади поверхности между электродами и органическими полупроводниками для оптимизации работы солнечных элементов.

Ученые разработали модель электрода, на котором можно систематически изменять площадь поверхности. В итоге оказалось, что эффективность работы системы была одинаковой при электропроводности всей поверхности или всего лишь одного ее процента, при условии близкого расположения проводящих областей.  

Высокопроизводительные органические солнечные элементы имеют дополнительные прозрачные слои между электродами и улавливающими свет полупроводниками. Они необходимы для оптимизации распределения света в устройстве и повышения его стабильности, а также для проведения заряда к электродам. Это непростая задача и лишь некоторые материалы отвечают всем названным требованиям.

Одна из исследовательниц, доктор Динеша Дабера, объясняет, что данный вывод показывает большой потенциал в использовании комбинаций изоляторов и проводящих наночастиц, таких как углеродные нанотрубки, фрагменты графена или металлические наночастицы, что повысит производительность устройства и снизит его стоимость.

Она также отметила близость коммерциализации подобных продуктов, но для этого нужно найти методы еще большего сокращения расходов и одновременного повышения производительности.

Доктор Хаттон в своем интервью объясняет, что их  разработка продемонстрировала правило проектирования для такого типа солнечных батарей, которое открывает гораздо большие возможностей для выбора материалов и, таким образом, поможет обеспечить их коммерческую реализацию.

Органические солнечные элементы абсолютно безвредны для окружающей среды, поскольку они не содержат токсинов и могут эксплуатироваться при невысоких температурах, обеспечивая низкие углеродные показатели и короткое время окупаемости.  

Доктор Хаттон отмечает возрастающую потребность в гибких солнечных батареях, которые имеют небольшой вес и варьируются по цвету. Традиционные кремниевые аналоги отлично подходят для масштабного производства электроэнергии на солнечных станциях и крышах зданий, но они плохо приспособлены к потребностям электромобилей и современных оконных конструкций. В противовес им, органические солнечные устройства достаточно легкие и могут использоваться на изогнутых поверхностях.

Данное открытие позволит разработчикам создать доступные и функциональные образцы, предоставив больше возможностей для выбора материалов.

Источник: https://scitechdaily.com.