Органични фотоволтаици

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2011

Класическото електрозахранване чрез производство на електроенергия на определени места и пренасянето й на големи разстояния до консуматорите е неприложимо за много безжични и преносими електронни устройства, станали неизменна част от ежедневието ни. Те са все по-разнообразни и необходими, количеството им бързо расте, а недостатъкът от нуждата за периодична смяна на батериите или зареждане на акумулаторите става все по-осезаем. Самото зареждане далеч от населени места изисква наличието на други източници на енергия и често се оказва невъзможно. Подобен е проблемът с осигуряване на електрозахранването на жилища и сгради на отдалечени места, туризъм, експедиции и т. н. Съществуващото съвременно решение чрез фотоволтаици (РV), базирани на неорганични полупроводници, има от потребителска гледна точка сериозни недостатъци - все още високата цена, голямо тегло и силна зависимост на получената електроенергия от ъгъла на падане на светлината. Това са причините реално те да се използват предимно като стационарни, като същевременно производството им е свързано със значителен разход на материали и енергия. Намаляването на тези недостатъци налага търсенето и на други начини за преобразуване на слънчевата светлина в електроенергия. Един от тях са органичните РV, на чието съвременно състояние и перспективи е посветена статията.

Специфични особености

Наименованието на органичните фотоволтаици (Organic Photovoltaic, OPV) показва, че те използват органични материали, в които светлината взаимодейства с молекули, за да се генерират електрически заряди. Придвижването на зарядите в рамките на материала става по-бавно в сравнение с неорганичните фотоволтаици, където генерирането е поради взаимодействие с атоми, разположени в кристалната решетка на относително голямото разстояние един от друг. Резултатът от това е недостатъкът, че органичните РV преобразуват по-малка част от светлината в електрическа енергия. Материалите за производство на тези РV вече се доставят от химическата промишленост в достатъчни количества.

Органичните РV могат да се нанасят върху леки, гъвкави и прозрачни фолия с тегло около 0,5 kg/m2, които да се залепват на различни повърхности. Поради възможността за работа дори при неблагоприятен ъгъл на падащата светлина е възможно поставянето им на вертикални плоскости (прозорци, стени и фасади). За реализацията на класически панели филмът може да се нанесе върху стъкло, което да се монтира върху лека конструкция. При използването им за захранване на портативни устройства те твърде малко увеличават теглото и цената им. Освен това органичният материал може да се вгражда в тъкани и архитектурни елементи, например керемиди.

Производството им не е свързвано със специфична технология, а обикновено представлява разновидност на такава за производство на други изделия. Себестойността на самото производство в момента е около 4 пъти по-ниска от тази на неорганичните РV, а производителността е в пъти по-голяма. Органичните РV генерират 20-40% повече електроенергия при слаба околна светлина (включително от луминесцентни лампи) и могат да бъдат изцяло рециклирани при излизането им от употреба. Към недостатъците им се прибавя твърде бързата засега промяна на параметрите във времето – експлоатационният срок на намиращите се в продажба е по-малък или най-много сравним с този на неорганичните РV.

За преодоляване на недостатъците на органичните РV се води сериозна изследователска работа. Например, в Германия действа проект на стойност 360 млн евро, финансиран от държавата и концерните BASF, Bosch и Schott Solar за разработката на органични РV, а в САЩ са създадени фирми, тясно специализирани в тази област, една от които е на гиганта Дюпон.

Основни параметри

Напрежението на празен ход (Open-Circuit Voltage) Voc в зависимост от използвания материал е в широки граници, но за реализация на панели с по-големи напрежения може да се използва последователно свързване, както при неорганичните РV. То намалява с не повече от 5-6% при понижаване на интензитета на слънчевата светлина наполовина от максималната. Токът на късо съединение (Short Circuit Current) Isc е най-големият безопасен ток с типични стойности 0,2-0,3 mA/cm2 за серийно произвеждани РV и няколко mA/cm2 за лабораторните модели (при неорганичните РV той е 5-20 mA/cm2). Той зависи линейно от интензитета на светлината.

От волтамперната характеристика (фиг. 1) се виждат други три параметъра – напрежението Vmpp (Maximum Power Voltage) и токът  Imрр (Maximum Power Current), при които от РV се получава максималната мощност Pmpp (Maximum Power Rating). Стойността на Vmpp е с 10-30% по-малка от Voc, а тази на Impp – с 10-20% от Isc. Мощността Pmpp е в доста широки граници в зависимост от вида на РV и размерите й, но засега е значително по-малка от тази на неорганичните РV. Това е най-съществената причина за очаквани приложения (засега!) в захранването на маломощни консуматори. Коефициентът на ефективност (Fill Factor) FF е отношението на Pmpp и теоретически максималната мощност VocIsc с типични стойности около 0,5. Коефициентът на полезно действие (Energy-Conversion Efficiency, Efficiency) h e отношението на генерираната електрическа енергия и енергията на светлината, падаща върху РV, т. е. показва каква част от слънчевата енергия се преобразува в електрическа. Експлоатационният срок (Lifetime) се определя на първо място от влошаването на свойствата на органичния материал под въздействие на влагата и кислорода във въздуха, което налага херметизиране. Освен това повишаването на температурата предизвиква промени в структурата му и също намалява експлоатационния срок. В първите експериментално създадени органични РV той е бил няколко часа, в най-добрите образци в момента той е около 5 години, като усилено се работи за удължаването му.

Прибори с фоточувствителна боя

Разработени са през 1988 г. и са наречени Graetzel Cell на името на създателя си, но по-често се използват наименованията Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) и Dye Solar Cell (DSC). Действието им наподобява фотосинтезата в растенията, но светлината вместо да се превръща във въглехидрати, създава електрически заряди. Идея за структурата на DSSC е дадена на фиг. 2. Върху стъклена или прозрачна пластмасова основа има също прозрачен електрод от SnO2, представляващ отрицателния полюс на РV. На него, чрез процес, подобен на печатането и при нормално атмосферно налягане, се нанася прахообразен филм (размер на частиците от порядъка на няколко nm) от неорганичния N полупроводник TiO2 с дебелина няколко mm. Върху всяка от неговите частици има едномолекулярен слой от органична боя, съдържаща рутений, при което се получава много голяма повърхност за падащата светлина и се увеличава h. Върху друга пластинка е нанесен втори метален електрод (ТСО) за положителен полюс, а между двата има органичен разтворител от соли на основата на йод. Така получената структура се херметизира. Фотоните на светлината чрез своята енергия отделят електрони от боята (това е процес на окисление), те попадат в TiO2 и се натрупват върху отрицателния полюс. Електрони от положителния полюс навлизат в разтворителя и чрез процес на откисление (редукция) в него достигат до боята и възстановяват електроните й. Отделянето на електрони от този полюс означава натрупване в него на положителни заряди. Структурата  показва, че DSSC не са изцяло органични РV, а техният течен разтворител е принципен недостатък. Съществуват лабораторни разработки, където той е заменен с подходящ полимер или органичен полупроводник, в който едновременно се извършва отделянето и пренасянето на електроните.

Предимствата на DSSC са, че са прозрачни, тънки, леки, с евтина технология на производство и най-ниска цена от всички органични РV. Могат да са гъвкави и нечупливи при реализация върху пластмасова основа и са еднакво подходящи за използване на открито и закрито. Произвеждат се от 2007 г., имат типичен h около 5%, като максималният в лабораторни условия от август 2010 г. е 9,9%, постигнат от Sony. Преобразуват светлината, попадаща от двете им страни, а приложенията обикновено са за зареждане на акумулатора на захранваното от тях устройство без това да е задължително.

Типичен гъвкав DSSC модул работи при осветeност между 200 и 1000 lx, като при последната стойност има Uoc=6 V, Isc=1,29 mA, Vmрp=4,7 V, Imрp=1,07 mA и Pmрp= 5 mW. Той е с размери 200x152x1,2 mm, тегло 17 g и работен температурен диапазон от +10 до +50 °С.

Съществуват разработки на DSSC за вграждане в кутиите на подвижни телефони, зарядни устройства за тях, лаптопи, фотоапарати, камери, сензори, електронни книги. В изследователски институт в Германия е създаден модул 300x300 mm със стъклена основа, който може да се използва за реализация на големи панели.

Полимерни фотоволтаици

Тази разновидност РV, освен основното си наименование (Polymer Solar Cell, PSC), често се нарича и Power Plastic. След появата им много специалисти приемат за органични РV само DSSC. Изследователска работа по създаването на PSC се води отдавна, но качественият скок е откриването през 1990 г. на проводящите полимери (Conductive Polymer), за което тримата откриватели получават Нобелова награда по химия през 2000 г.

Електрическите свойства на тези полимери се формират чрез органичен синтез за получаване на проводници или полупроводници. В PSC се използват свързани полимери (Conjugated Polymer) с редуващи се единични и двойни връзки на въглеродните атоми. За Р полупроводник се използва графен (въглерод със специфична кристална решетка), полимер или нанокристали от CdSe или метал, като последният се прилага в полимерните хибридни РV. Като N полупроводник винаги се използва полимер. Съществуват множество разновидности на полимери, а изследователската работа за създаване на нови продължава с основна цел подобряване на h, увеличаване на тока от единица площ и удължаване на експлоатационния срок на PSC.

Попадащата светлина се абсорбира в PSC и фотоните й създават в нейния N полупроводник екситони, представляващи двойка електрон-дупка, свързани с електростатични сили и имащи енергия 0,1-1,4 еV. Поради съществуващото в структурата електрическо поле, дължащо се на различната отделителна работа на двата полупроводника, екситоните се придвиждат към PN прехода между тях, където всеки от тях се разлага на електрон и дупка. Така получените отрицателни и положителни електрически заряди се придвижват, съответно, към отрицателния и положителния извод на PSC. Важна особеност е, че след образуването си екситоните могат да изминат разстояние 5-10 nm, след което губят свойствата си. Следователно, за да могат да се използват за генериране на електрически заряди, трябва пътят им до PN прехода да е по-къс. Това е причината в PSC да се използват редуващи се молекули с големина до 20 nm от двата полупроводника, между които се получава обемен хетеропреход (BHJ). Наречен е така, защото е в три измерения (а не планарен, както при класическите неорганични полупроводници) и е между полупроводници с различен химичен състав.

Основната структура на PSC е дадена на фиг. 3. Върху прозрачната пластмасова или стъклена основа е нанесен тънкият прозрачен слой на анода от проводящ индиево-калаен окис (ITO). Светлината преминава през него и попада върху активния слой, представляващ смес от молекули на Р и N полупроводници. Катодът е тънък метал, най-често Al, но се използват и Са и Mg. Съществуват и разновидности на структурата за подобряване на параметрите й. Например, между катода и активния слой се вмъква друг слой, който не позволява на дупки и екситони да достигат катода и с това да се намалява h. Подобен слой от TiO2 или ZnO се поставя между анода и активния слой, но само за възпрепятстване на преминаването на екситони.

Стойността на Voc зависи от вида на полимерите и омичното съпротивление на изводите и е около 2 V, а токът Isc нараства с площта на PSC, но зависи и от съотношението на трите й размера. За увеличаване коефициента на ефективност FF е необходимо използването на полимери с малко омично съпротивление, както и намаляване на съпротивлението между тях и изводите. Експлоатационният срок зависи от чистотата на полимерите в активния слой и стабилността на тяхната структура във времето и при повишаване на температурата. Без херметизиране той е 3-5 години, с него става сравним с този на класическите фотоволтаици, а в лабораторни образци вече надхвърля 30 години. Максималният h непрекъснато нараства, като най-голямата стойност в лабораторни условия в края на 2010 г. е 8,3% (около 3 пъти по-малък от максималния на неорганични РV), но според някои изследователи, максималната теоретична стойност е 20-25%. Сред важните изисквания за неговото повишаване е полимерите да могат да генерират екситони под въздействието на фотони от възможно най-голяма част от слънчевия спектър. Сериозна крачка в тази насока е създадената през 2007 г. PSC с многослойна структура (Tandem Solar Cell), съдържаща няколко активни слоя един върху друг – два от тях реагират на синята и зелената част на спектъра, а върху тях е трети за инфрачервената и ултравиолетовата част. Херметизацията се прави със специфичен титанов окис, който, поради много малкото си електрическо съпротивление, успешно събира електроните от другите слоеве. Очаква се до края на 2012 г. техният h да достигне 10%. По принцип, създаването на полимери, чувствителни към инфрачервената светлина, е твърде важно, защото фотоните с максимална енергия (1,8 еV) в слънчевата светлина са с дължина на вълната 769 nm в близкия инфрачервен спектър. Лабораторните разработки на такива полимери засега са с Vос около 0,7 V и h Ј 1%.

Типичната технология на производство на PSC (Roll-to-Roll Manufacturing) е проста, евтина и твърде много наподобава печатането на вестници. Пластмасовата основа (засега с широчина до 1,5 m) се поставя навита на руло върху барабан и се изтегля от друг въртящ се барабан. При преминаването си между тях последователно се нанасят отдолу нагоре показаните на фиг. 3 слоеве, като най-отгоре се прибавя предпазен слой. Няма принципни ограничения за дължината на така получената лента, като с нейното увеличаване нарастват Isc и Pmpp, докато Vос и Vmpp остават практически неизменни. Външният вид на такава PSC с дебелина 0,5 mm, навита на руло, е даден на фиг. 4.

Типични примери за PSC в редовно производство са сериите Power Plastic 20 и Power Plastic 40 (Konarka). Първата съдържа 7 панела с широчина 340 mm, дължина между 273 и 1553 mm и параметри Vос=11,3 V, Isc между 0,2 и 1,4 А в зависимост от дължината, Vmpp=7,9 V, Impp от 0,16 до 1,15 А и Pmpp между 1,3 и 9,1 W. Втората серия е от 3 панела, чиято по-голяма широчина (676 mm) определя по-големи Vос (22,6 V) и Vmpp (15,8 V). По-голяма е и дължината (от 1,13 до 2,41 m), което пък повишава токовете (Isc между 1 и 2,2А и Impp от 0,8 до 1,8А) и мощността Pmpp (между 13 и 28,6 W). И двете серии работят при околна температура между -20 °С и +65 °С. За приложенията им е съществено, че Pmpp нараства слабо с температурата (0,05 %/°С), а Vmpp и Vос – намаляват съответно с 0,27 %/°С и 0,21 %/°С. Панелите са предвидени за работа на открито и закрито.

Интересно приложение е осъщественото чрез монтиране на PSC на покривите на спирките на градския транспорт в Сан Франциско, САЩ за захранване на информационните табла, като освен това в електрическата мрежа годишно ще се доставят по 43 MWh. Напреднала е работата по вграждането на PSC в дрехи (photovoltaic clothes), което ще намали обема и теглото на акумулаторите на носените прибори. Характерни примери са използването им от полицията и военните, но и гражданските приложения не са малко - предпазни светещи облекла за движение нощем, зареждане на акумулаторте на GSM и други подобни.

Сериозно се работи и за създаването на вградени в сгради PSC (Building Integrated Photovotaic, BIPV). Подобен експериментален модел с мощност 1,5 kW е монтиран на стена на офис сграда във Флорида. Типична стена от PSC панели осигурява мощност между 10 W рано сутрин и надвечер и около 48 W по обяд.

Прибори с фоточувствително мастило

Използването на органични полупроводници под формата на мастило и нанасянето им върху подходяща основа чрез технология много подобна на печатането на принтер е на ниво лабораторни разработки със сериозни очаквания за бъдещи приложения. За РV на тази основа най-често използваното наименование е Printed Solar Cell. Самото мастило вече е в редовно производство и, освен за РV, се използва за реализация по подобен начин на органични полеви транзистори, светодиоди, дисплеи, сензори и памети. Предимство на технологията е, че нанасянето на мастилото се прави при атмосферно налягане и невисока температура (последните резултати са при 65 °С на мастилото), т. е. бързо и евтино производство с малък разход на материали.

Структурата на клетка с фоточувствително мастило е дадена на фиг. 5. Върху прозрачна основа се нанася също прозрачен анод, последван от слой HTL за пренасяне на дупки. Последните се генерират от фотоните в акивния слой PL и HTL осигурява максимално голяма част от тях да достигнат до анода. Оставащите от генерацията електрони се придвижват към катода. Получена в лабораторни условия клетка с площ 5 mm2, има при енергия на светлината 0,1 W/cm2 параметри: Voc=0,6 V, Isc=0,5 mA, Vmpp=0,45 V, Impp=0,43 mA, Pmpp=0,19 W и h=3,83%. Мастилото "улавя" фотони с дължина на вълната между 300 и 650 nm.

В заключение трябва да се подчертае, че като цяло очакванията за развитието на органичните РV са повече от оптимистични - според някои прогнози, през следващите 20 години ще бъдат произведени такива прибори на стойност 300 млрд. щатски долара.






ЕКСКЛУЗИВНО


Top