Солнечные элементы с 30-летним сроком службы для выработки электроэнергии в окнах

Исследование, проведенное Мичиганским университетом, показало, что новая конструкция солнечных элементов, обеспечивающая прозрачность, может сочетать высокую эффективность с 30-летним расчетным сроком службы. Это может открыть дорогу для окон, которые также обеспечивают солнечную энергию.


«Солнечная энергия – это самая дешевая форма энергии, которую человечество когда-либо производило со времен промышленной революции», – сказал Стивен Форрест, профессор электротехники Университета Питера А. Франкена, руководивший исследованием. «С этими устройствами, установленными на окнах, ваше здание становится электростанцией».

Хотя кремний остается королем эффективности солнечных панелей, он непрозрачен. Для солнечных панелей, подходящих для окон, исследователи изучают органические или углеродные материалы. Перед командой Форреста стояла задача предотвратить быстрое разложение очень эффективных органических светопреобразователей во время использования.

Сила и слабость этих материалов заключаются в молекулах, которые переносят фотогенерированные электроны на электроды, вход указывает на цепь, которая либо использует, либо накапливает солнечную энергию. Эти материалы обычно известны как «нефуллереновые акцепторы», чтобы отличать их от более надежных, но менее эффективных «фуллереновых акцепторов», сделанных из углеродной сетки нанометрового размера. Солнечные элементы, изготовленные из нефуллереновых акцепторов, содержащих серу, могут достигать эффективности 18%, сопоставимой с кремнием, но они не служат так долго.

Команда, в которую вошли исследователи из Государственного университета Северной Каролины, Тяньцзиньского университета и Чжэцзянского университета в Китае, намеревалась изменить это положение. В своих экспериментах они показали, что без защиты материала, преобразующего солнечный свет, эффективность упала до менее 40% от первоначального значения в течение 12 недель при эквиваленте одного солнечного света.

«Нефуллереновые акцепторы обладают очень высокой эффективностью, но содержат слабые связи, которые легко диссоциируют под действием фотонов высокой энергии, особенно УФ [ultraviolet] фотоны, распространенные в солнечном свете “, – сказал Юнси Ли, научный сотрудник UM в области электротехники и информатики и первый автор статьи в Nature Communications.

Изучая природу деградации этих незащищенных солнечных элементов, команда пришла к выводу, что они нуждаются в подкреплении только в нескольких местах. Во-первых, им нужно заблокировать УФ-свет. Для этого они добавили слой оксида цинка – распространенного солнцезащитного ингредиента – на обращенную к солнцу сторону стекла.

Более тонкий слой оксида цинка рядом с областью поглощения света помогает проводить электроны, генерируемые солнечным светом, к электроду. К сожалению, он также ломает хрупкий поглотитель света, поэтому команда добавила слой материала на основе углерода под названием IC-SAM в качестве буфера.

Кроме того, электрод, который втягивает в цепь положительно заряженные «дыры» – по существу, пространства, освобожденные электронами – также может реагировать с поглотителем света. Чтобы защитить этот бок, они добавили еще один буферный слой, на этот раз из фуллерена в форме футбольного мяча.