Polimerne/organske fotonaponske ćelije

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Slika 1. Shema plastične solarne ćelije. PET – polietilen tereftalat, ITO – indij-kositar oksid, PEDOT:PSS – poli(3,4-etilendiksitiopen), aktivni sloj (obično polimer:mješavina fulerena), Al – aluminij.

Polimerna solarna ćelija vrsta je fleksibilne solarne ćelije, izrađena od polimera (velikih molekula s dijelovima koji se ponavljaju i tvore dugačke lance) koja proizvodi električnu energiju iz sunca pomoću fotoelektričnog efekta. Pod polimerne solarne ćelije spadaju i organske solarne ćelije (također nazvane i "plastične solarne ćelije"). One su vrsta solarnih ćelija od tankog filma, dok su ostale vrste trenutno mnogo stabilnije solarne ćelije od amorfnog silicija. Tehnologija polimernih solarnih ćelija je relativno nova i trenutno je tema istraživanja mnogih sveučilišta, nacionalnih laboratorija i tvrtki diljem svijeta.

  • Trenutno je većina solarnih ćelija za komercijalnu upotrebu izrađena od rafiniranog, visoko pročišćenog kristalnog silicija, koji je sličan materijalu za izradu integriranih strujnih krugova i kompjuterskih čipova. Zbog velikih troškova silicijskih solarnih ćelija, te složenog postupka proizvodnje, razvio se veliki interes za razvitak alternativnih fotonaponskih tehnologija.
  • U uspredbi s uređajima na bazi silicija, polimerne solarne ćelija su lagane (što je važno za male senzore sa samoupravljanjem), mogu biti korištene za jednokratnu upotrebu, relativno su jeftine za izradu (ponekad koristeći tiskanu elektroniku), fleksibilne, mogu se prilagoditi za upotrebu na molekularnoj razini, te su manje štetne za okoliš. Primjer takvog uređaja prikazan je na Slici 1. Nedostatci polimernih fotonaponskih ćelija su također ozbiljni: pružaju otprilike 1/3 učinkovitosti čvrstih materijala, te su relativno nestabilni prilikom fotokemijske razgradnje. Zbog toga, unatoč daljnjim napretcima u poluvodljivim polimerima, velika većina solarnih ćelija i dalje ovisi o anorganskim materijalima.[1]
  • Polimerne solarne ćelije trenutno nisu dovoljno učinkovite za velike primjene, te imaju probleme sa stabilnošću[2], ali obećavaju znatno smanjenje troškova proizvodnje[3], a s vremenom i veliku učinkovitost[4], te su zbog toga jedne od najpopularnijih u području istraživanja solarnih ćelija[5]. Vrijedi spomenuti da su najmoderniji uređaji proizvedeni u akademskim laboratorijima (u čemu prednjači grupa istraživača na UCLA, po vodstvom Yang Yanga) dosegli ovjerene učinkovitosti iznad 8%[6], dok su još neobjavljeni uređaji (vjerojatno kako bi ostali u tajnosti za industrijske svrhe) navodno prešli i 10%-tnu učinkovitost[7].

Mehanizam[uredi VE | uredi]

Polimerne solarne ćelije se obično sastoje od gornjeg sloja koji blokira elektron ili praznine, zatim od staklenog sloja vodljivog indij-kositar oksida (ITO), pa sloja elektrona donora i elektrona akceptora (u slučaju solarnih ćelija s raspršenim heterospojevima), nakon toga sloja koji blokira elektrone ili praznine i na kraju metalne elektrode. Priroda i raspored blokirajućih slojeva (kao i priroda metalne elektrode) ovisi o strukturi samog uređaja, je li uobičajene ili obrnute arhitekture.
U polimernim solarnim ćelijama s raspršenim heterospojevima, svjetlost generira ekscitone, nakon čega slijedi razdvajanje naboja na sučelju mješavine elektrona donora i elektrona akceptora, unutar aktivnog sloja samog uređaja. Ti naboji zatim odlaze na elektrode uređaja, a potom izlaze iz ćelije, obave određeni rad, a zatim ponovno ulaze u uređaj sa suprotne strane. Mobilnost praznina omogućava bržu provodljivost kroz aktivni sloj.[8][9]

Struktura[uredi VE | uredi]

Najjednostavniji organski fotonaponski uređaj ima ravninski heterospoj. Film aktivnog polimera (donora) i film elektrona akceptora smješten je između kontakata. Ekscitoni nastali u području donora mogu difundirati prema spoju, te se razdvojiti ostavljajući za sobom prazninu dok elektron prelazi u akceptor. S obzirom da nosioci naboja imaju duljinu difuzije od samo 3-10 nm u tipičnim organskim poluvodičima, ravninske ćelije moraju biti tanke, međutim one ne upijaju svjetlost tako dobro. Odgovor na to su raspršeni heterospojevi kod kojih je bitno izabrati prikladan materijal, otapala i omjer težine donora-akceptora.

Organske fotonaponske ćelije[uredi VE | uredi]

Organska fotonaponska ćelija ili plastična fotonaponska ćelija je vrsta polimerne solarne ćelije koja koristi organsku elektroniku, granu elektronikečiji su dijelovi načinjeni od provodljivih organskih polimera ili malih organskih molekula, za apsorpciju svjetlosti i prijenos naboja kako bi pomoću fotoelektričnog efekta proizvela električnu energiju iz sunčeve energije.
Plastični materijali korišteni u proizvodnji organskih solarnih ćelija imaju nisku proizvodnu cijenu za velike količine. Zajedno sa fleksibilnošću organskih molekula, organske solarne ćelije imaju mogućnost velike isplativosti prilikom korištenja u fotonaponske svrhe. Molekularni inženjering (npr. promjena doljine i funkcijske skupine polimera) može promjeniti energetski pojas (područje u kojem elektroni ne mogu obitavati) što omogućava kemijske promjene u tim materijalima. Koeficijent optičke apsorpcije organskih molekula je visok, tako da mala količina materijala može upiti veliku količinu svjetlosti.
Glavni nedostatci povezani sa organskim fotonaponskim ćelijama su
  • mala učinkovitost
  • mala stabilnost
  • mala snaga u usporedbi sa anorganskim fotonaponskim ćelijama.

Organski fotonaponski materijali[uredi VE | uredi]

Slika 2: Primjeri organskih materijala za solarne ćelije
Fotonaponska ćelija je specijalizirana poluvodljiva dioda koja vidljivu svjetlost pretvara u istosmjernu električnu energiju (en. direct current, DC). Neke fotonaponske ćelije mogu pretvarati i infracrveno ili ultraljubičastozračenje u istosmjernu električnu energiju. Zajednička osobina malih molekula i polimera (Slika 2) korištenih u fotonaponskim ćelijama, jest da imaju velike konjugirane sustave. Konjugirani sustav se formira na mjestima gdje atomi ugljika stvaraju kovalentnu vezu s promjenjivim uzorkom jednostrukih i dvostrukih veza. Drugim riječima, to su kemijske reakcije između ugljikovodika. Elektroni pz-orbitala tih ugljikohidrata se delokaliziraju i stvaraju delokaliziranu poveznu π-orbitalu sa pripadajućom π*-orbitalom koja ima dodatnu nodalnu ravninu između π-orbitala. Delokalizirana π-orbitala je najviše popunjena orbitala u molekuli (en. HOMO), dok je π*-orbitala najniže nepopunjena orbitala u molekuli (en. LUMO). Procjep između HOMO-a i LUMO-a smatra se energetskim pojasom organskih elektroničkih materijala. Taj pojas je uglavnom u rasponu od 1-4 eV.[10]
Kada ti materijali apsorbiraju foton, stvara se uzbuđeno stanje koje se zatvara unutar molekule ili u područje lanca polimera. To uzbuđeno stanje može se smatrati i parom elektron-šupljina održanih na okupu elektrostatskim djelovanjem, tj. eksciton. U fotonaponskim ćelijama ekscitoni su razbijeni na slobodne parove elektron-šupljina. To uzrokuje pad ekscitona iz provodljivog pojasa apsorpcijske molekule u provodljivi pojas akceptorske molekule. Neophodno je da akceptorski materijal ima niži rub provodljivog pojasa od apsorpcijskog materijala.[11][12][13][14]

Vrste spojeva za organske fotonaponske ćelije[uredi VE | uredi]

Jednoslojna organska fotonaponska ćelija[uredi VE | uredi]

Slika 3: Prikaz jednoslojne organske fotonaponske ćelije
Jednoslojne organske fotonaponske ćelije su najjednostavniji od različitih oblika unutar svoje vrste. Načinjene su umetanjem sloja organskog elektroničkog materijala između dva metalna vodiča. Obično je to sloj indij-kositar oksida (ITO), koji ima visoki izlazni rad materijala, te sloj metala s niskim izlaznim radom materijala poput Al, Mg i Ca. Osnovna struktura takve ćelije prikazana je na Slici 3.
Zbog razlike u izlaznom radu materijala tih dvaju vodiča dolazi do pojave električnog polja u organskom sloju. Kada organski sloj ćelije apsorbira svjetlost elektroni će biti pobuđeni u najniže nepopunjenu orbitalu u molekuli (LUMO) i ostaviti praznine u najviše popunjenoj orbitali u molekuli (HOMO), te tako stvarajući ekscitone. Potencijal nastao razlikom između izlaznih radova materijala pomaže u razbijanju parova ekscitona. To se ostvaruje povlačenjem elektrona prema pozitivnoj elektrodi (električni vodič koji ostvaruje kontakt s nemetalnim dijelom sustava) i nastalih praznina prema negativnoj elektrodi. Kao posljedica ovog procesa nastaju električna energija i napon koji se onda mogu koristiti za izvođenje nekog rada.[11][12][13]
Problemi[uredi VE | uredi]
U praksi, jednoslojne organske fotonaponske ćelije ne rade dobro. Imaju lošu učinkovitost na kvantnoj razini (<1%) i nisku učinkovitost pri pretvorbi energije (<0.1%). Najveći problem leži u činjenici da električno polje, nastalo kao posljedica razlike između vodljive elektrode, je rijetko dovoljno jako da bi razbilo generirane ekscitone. Elektroni se često izmjenjuju s prazninama umjesto da odlaze prema elektrodi. Kako bi se riješio ovaj problem, razvijene su organske fotonaponske ćelije s više slojeva.

Dvoslojne organske fotonaponske ćelije[uredi VE | uredi]

Slika 4: Prikaz dvoslojne organske fotonaponske ćelije
Ova vrsta organskih fotonaponskih ćelija sadrži dva različita sloja između vodljivih elektroda (Slika 4). Ta dva sloja materijala imaju različiti afinitet prema elektronima i različitu energiju ionizacije, pa se elektrostatske sile stvaraju na sučelju između ta dva sloja. Materijali za unutrašnje slojeve se pomno biraju s ciljem da te razlike budu dovoljno velike kako bi lokalna električna polja bila jaka, što onda može dovesti do mnogo učinkovitijeg razbijanja ekscitona nego što je to moguće kod jednoslojnih fotonaponskih ćelija. Sloj koji ima viši afinitet prema elektronima i višu energiju ionizacije je elektron akceptor, dok je drugi sloj elektron donor. Takva struktura se još zove i ravninski donor-akceptor heterospoj.[11][12][13][14]
Problemi[uredi VE | uredi]
Difuzijska duljina ekscitona u organskim elektroničkim materijalima je uglavnom reda od 10 nm. Kako bi većina ekscitona difundirala do sučelja slojeva i razbila se u nosioce, debljina slojeva bi trebala biti otprilike jednaka difuzijskoj duljini ekscitona. Međutim, polimerni sloj uglavnom treba biti debljine barem 100 nm kako bi mogao upiti dovoljno svjetlosti. S obzirom na tako veliku debljinu samo mali dio ekscitona može doprijeti do sučelja heterospoja. Da bi se riješio taj problem, došlo je do razvitka fotonaponskih ćelija s raspršenim heterospojevima.

Fotonaponske ćelije s raspršenim heterospojevima[uredi VE | uredi]

Slika 5: Prikaz fotonaponske ćelije s raspršenim heterospojevima
Kod ove vrste fotonaponskih ćelija, elektron donor i elektron akceptor su pomiješani zajedno, stvarajući polimernu mješavinu (Slika 5). Ako je duljina mješavine sličan difuzijskoj duljini ekscitona, većina ekscitona iz bilo kojeg materijala bi mogla doseći sučelje, gdje se ekscitoni uspješno razbijaju. Elektroni dolaze u akceptorsko područje, prenose se kroz uređaj i zatim ih skuplja jedna od elektroda, dok se praznine povlače u suprotnom smjeru i skupljaju se na drugoj strani.[12][13][15]

Fotonaponske ćelije s postupnim heterospojevima[uredi VE | uredi]

Kod ove vrste fotonaponskih ćelija, elektron donor i elektron akceptor su pomiješani zajedno, kao kod ćelija s raspršenim heterospojevima, ali tako da je prijelaz postupan. Ovakva struktura kombinira kratku udaljenost koju elektron mora prijeći kod raspršenih heterospojeva s prednošću postupnog prijelaza naboja kod dvoslojne tehnologije.[16]

Trenutni izazovi i nedavni napredak[uredi VE | uredi]

Poteškoće vezane za organske fotonaponske ćelije uključuju nisku učinkovitost na kvantnoj razini (~3%) u usporedbi s anorganskim fotonaponskim uređajima; najviše zbog velikog energetskog pojasa organskih materijala. Nestabilnosti prilikom oksidacije i redukcije, rekristalizacija i temperaturne varijacije također mogu dovesti do propadanja uređaja i smanjenog djelovanja tokom vremena. Ovo se može dogoditi u različitoj mjeri na uređajima s različitim sastavom. Na tome aktivno rade mnoga istraživanja.[17]
Još neki važni faktori su i duljina difuzije ekscitona, razdvajanje i sakupljanje naboja, te transport i mobilnost naboja, na koje prisutnost raznih nečistoća može utjecati.

Utjecaj morfologije filma[uredi VE | uredi]

Kao što je već opisano, raspršeni heterospojevi donor-akceptorskih materijala imaju visoku kvantnu učinkovitost u usporedbi s ravninskim heterospojevima. Razlog tome je veća vjerojatnost da će eksciton pronaći sučelje koje odgovara njegovoj difuzijskoj duljini u raspršenim heterospojevima, nego u ravninskim. Morfologija filma također može imati veliki utjecaj na kvatnu učinkovitost uređaja. Grube površine, te prisutnost rupica i praznina može povećati serijski otpor i vjerojatnost nastanka kratkog spoja. Morfologija filma, a zbog nje i kvantna učinkovitost, mogu se usavršiti žarenjem uređaja i to nakon što ga se obloži s metalnom katodom. Metalni film, položen na organski, prenosi naprezanja na organski film, što sprječava popuštanje morfologije samog organskog filma. To rezultira gusto zbijenim filmovima, te u isto vrijeme omogućava formiranje donor-akceptorskog sučelja (s odvojenim fazama u kojem može doći do proboja ekscitona) unutar raspršenog ili organskog tankog filma, koji može biti debljine od djelića nanometra do nekoliko mikrometara.[18]

Heterospojevi kontroliranog rasta[uredi VE | uredi]

Slika 5a: Složeni heterospojevi; 5b: Heterospojevi s kontroliranim rastom
Na području donor-akceptorskog sučelja dolazi do razdvajanja naboja. Putujući prema elektrodi može doći do zarobljivanja naboja i/ili se može prerazmjestiti unutar poremećenog probojnog organskog materijala, što konačno dovodi do smanjene učinkovitosti uređaja. Kontrola rasta heterospojeva pruža bolju kontrolu položaja donor-akceptorskih materijala, što dovodi do mnogo veće energetske učinkovitosti (omjer izlazne i ulazne snage). Prema tome, izbor parametara pogodnih za obradu, kako bi se bolje kontrolirala struktura i morfologija filma je vrlo poželjan.[19]

Infracrvene fotonaponske ćelije[uredi VE | uredi]

Infracrvene ćelije lakše upijaju svjetlost iz infracrvenog raspona nego valnu duljinu vidljive svjetlosti. Od 2012., takve ćelije mogu biti gotovo 70% prozirne za vidljivu svjetlost. Navodno mogu biti proizvedene u velikim količinama za male troškove koristeći obradu pomoću otopina. Koriste srebrnu kompozitnu mrežu nanožica/titanijevog dioksida kao prozirni gornji elektrodni sloj, time zamjenivši konvencionalne neprozirne metalne elektrode. Takve ćelije omogućavaju da dvije trećine vidljive svjetlosti koja pada na njih prođu kroz njih, što im omogućava pretvorbu energije od 4 %.

Komercijalizacija[uredi VE | uredi]

U ovom trenutku pitanje je koliko polimerne fotonaponske ćelije mogu konkurirati silicijskim solarnim ćelijama na komercijalnom tržištu s obzirom na mnogo manju učinkovitost u pretvorbi energije od 10%. Polimernim ćelijama također nedostaje i zaštitni premaz koji bi ih štitio od vanjskih utjecaja. Zbog tih nedostataka još uvijek se ne proizvode masovno.


Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Joachim Luther, Michael Nast, M. Norbert Fisch, Dirk Christoffers, Fritz Pfisterer, Dieter Meissner, Joachim Nitsch "Solar Technology" 2002, Wiley-VCH, 2008 Weinheim.
  2. Jørgensen, M., K. Norrman, and F.C. Krebs (2008). "Stability/degradation of polymer solar cells". Solar Energy Materials and Solar Cells 92 (7).
  3. (2012). "Polymer- and carbon-based electrodes for polymer solar cells: Toward low-cost, continuous fabrication over large area". Solar Energy Materials and Solar Cells 100.
  4. (2006). "Design Rules for Donors in Bulk-Heterojunction Solar Cells—Towards 10 % Energy-Conversion Efficiency". Advanced Materials 18 (6).
  5. Jørgensen, M., K. Norrman, and F.C. Krebs (2008). "Stability/degradation of polymer solar cells". Solar Energy Materials and Solar Cells 92 (7).
  6. (2012). "Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer". Nature Photonics 6 (3).
  7. Kromkout, W.W. (2012-02-13) UCLA engineers create tandem polymer solar cells that set record for energy-conversion. UCLA Newsroom.
  8. (2007). "A review of charge transport and recombination in polymer/fullerene organic solar cells". Progress in Photovoltaics: Research and Applications 15 (8).
  9. (2009). "Charge Transport in Disordered Organic Materials and Its Relevance to Thin-Film Devices: A Tutorial Review". Advanced Materials 21 (27).
  10. Rivers N.P.Leading edge research in solar energy,(2007)
  11. 11,0 11,1 11,2 McGehee D.G., Topinka M.A. Nature Mater. 5, 675-676 (2006)
  12. 12,0 12,1 12,2 12,3 Nelson J. Current Opinion in Solid State and Materials Science 6, 87-95 (2002)
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 Halls J.J.M., Friend R.H. In: Archer M.D., Hill R.D. editors, Clean electricity from photovoltaics, London: Imperial College Press, 377-445 (2001)
  14. 14,0 14,1 H. Hoppe and N. S. Sariciftci, J. Mater. Res. 19, 1924-1945 (2004)
  15. Kearns D., Calvin M. J.Chem.Phys. 29, 950-951 (1958)
  16. Graded Heterojunction.
  17. Li B. et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 90, 549 - 573 (2006)
  18. Peumans P. et al. Nature, 425, 158-162(2003)
  19. Yang F. et al. Nature Mater., 4, 37-41 (2005)

Vidi još[uredi VE | uredi]