In letzter Zeit sprechen sie ab und zu über grüne Energie, erneuerbare Energiequellen sowie Methoden zu deren Gewinnung, Speicherung und Nutzung. Und das ist ziemlich logisch, denn die Bevölkerung des Planeten wächst ständig und die Reserven an fossilen Energiequellen gehen rapide zur Neige. Früher oder später kann ein Moment kommen, in dem die gesamte von Menschen verbrauchte Energie von Sonne, Wind usw. erzeugt wird. Daher sind viele Forscher damit beschäftigt, bestehende zu verbessern und neue Methoden zum Sammeln von grüner Energie zu entwickeln. Heute werfen wir einen Blick auf eine Studie, in der Wissenschaftler der University of Michigan transparente (genauer durchscheinende) Sonnenkollektoren entwickelten. Aus was wurde diese Technologie entwickelt, was ist das Prinzip ihrer Funktionsweise und können Wolkenkratzer zu effizienten Sammlern von Sonnenenergie werden? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler.Gehen.
Forschungsgrundlage
Solarmodule waren früher recht selten, aber jetzt haben ihre Verfügbarkeit und Popularität glücklicherweise stark zugenommen. Kürzlich kam ich an einem Wohngebäude in meiner Stadt vorbei und bemerkte, dass die leeren Wände und das Dach vollständig mit Sonnenkollektoren bedeckt sind. Dies führte dazu, dass ich ebenso überrascht, bewundernswert und voller Fragen zu Effizienz, wirtschaftlichem Nutzen und vielem mehr war. Trotzdem zeigt dieses empirische Beispiel perfekt ein Merkmal: Die Paneele wurden dort installiert, wo sie nicht stören würden (d. H. Nicht an Fenstern).
Natürlich gibt es ganze Felder von Sonnenkollektoren, die Hunderte von Quadratmetern (oder sogar mehr) bedecken, aber in dicht besiedelten und daher dicht gebauten Städten gibt es zu wenig freien Platz für diese Installationsmethode. Jemand wird sagen: "Wenn wir wirklich grüne Energie und Sonnenkollektoren wollten, dann würde es einen Ort geben." Ich stimme zu, aber die Realität sieht immer noch anders aus. Zwischen den Wolkenkratzern ist möglicherweise nicht viel zusätzlicher Platz, aber es gibt viele Fenster, die selbst zu Sammlern von Sonnenenergie werden könnten.
Im Bereich der durchscheinenden Solarmodule gibt es derzeit bereits mehrere Entwicklungen, deren Wirkungsgrad 7% erreicht. Organische Halbleiter spielen bei ihrer Entwicklung eine wichtige Rolle. Im Vergleich zu anorganischen Halbleitern schmal exzitonisch *Streifen in organischen Halbleitern eröffnen neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der organischen Photovoltaikzellen (im Folgenden OPV für organische Photovoltaik ), da viele organische Verbindungen selektiv Licht außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs absorbieren.
Exciton * - elektronische Anregung in einem Halbleiter, Dielektrikum oder Metall, die sich durch den Kristall bewegt, jedoch nicht mit der Übertragung von elektrischer Ladung und Masse verbunden ist.Die Effizienz von durchscheinenden Photovoltaikzellen (ST-OPV) von 7% kann Wissenschaftlern und Menschen gefallen, die die Schwierigkeit verstehen, einen solchen Indikator mit einer solchen nicht standardmäßigen Technologie zu erreichen, aber unter dem Gesichtspunkt des wirtschaftlichen Nutzens ist dies zu gering. Darüber hinaus erreicht nur ein kleiner Teil der entwickelten ST-OPVs eine sichtbare Transparenz von ~ 50%, was für viele Anwendungen kritisch ist.
Um ein ST-OPV zu erstellen, muss daher ein Gleichgewicht zwischen der Effizienz der Energiesammlung und einem ausreichenden Maß an Transparenz gefunden werden, was keine leichte Aufgabe ist. Die Wissenschaftler fügen hinzu, dass viele der bereits hergestellten ST-OPVs ein sehr unästhetisches Aussehen (Glasschirm) haben, was ebenfalls nicht zur Popularisierung dieser Technologie beiträgt.
Bisher konzentrieren sich effektive neutrale ST-OPVs hauptsächlich auf die Verwendung von Materialien mit starker Absorption im nahen Infrarot (NIR), einschließlich Strukturen mit Mehrfachverbindungsvorrichtungen zur Minimierung des Thermalisierungsverlusts, Antireflexbeschichtungen (ARC) oder aperiodischen dielektrischen Reflektoren (ADR) zur Erhöhung Absorption.
In der Arbeit, die wir heute betrachten, beschreiben Wissenschaftler ihre Version von ST-OPV, die PCE = 10,8 ± 0,6% und APT = 45,7 ± 2,1% erreicht, was zu LUE = 5,0 ± 0,3 führt.
PCE* — (power conversion efficiency);Das Gerät verwendet ein NFA-Molekül (Nicht-Buleren-Akzeptor) mit hoher Absorption im nahen Infrarotbereich, für dessen Synthese nur wenige Schritte erforderlich sind. Trotz der Tatsache, dass NFAs teilweise kovalent kondensierte Ringstrukturen aufweisen (anstatt starre und vollständig kondensierte), wurden in ihnen starke intermolekulare π-π-Wechselwirkungen und eine enge molekulare Packung beobachtet ( 1A ).
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
Bild 1
Die Kombination von Materialien, die Licht im nahen Infrarotbereich absorbieren, Ausgangsstrukturen (Ausgabe von Photonen von der LED nach der Erzeugung) (OC durch Auskopplung ) auf der Ausgangsoberfläche und transparente Elektroden ermöglichten es, den gleichen Kompromiss zwischen Effizienz, Transparenz und Ästhetik zu erzielen.
Das farbneutrale ST-OPV unter Verwendung einer transparenten Indiumzinnoxidanode (ITO aus Indiumzinnoxid ) zeigte PCE = 8,1 ± 0,3%, APT = 43,3 ± 1,5% und LUE = 3,5 ± 0,1%. Die Indikatoren für das durch das Gerät hindurchtretende Licht waren wie folgt: Farbwiedergabeindex (CRI) = 86; korrelierte Farbtemperatur (CCT) = 4143 K; chromatische Koordinaten - (0,38, 0,39).
Forschungsergebnisse
Bild 1A zeigt die molekularen Strukturen der drei getesteten NFAs, von denen eine (nämlich SBT-FIC) ein vollständig fusioniertes molekulares Rückgrat zeigte. Die anderen beiden NFAs (A078 und A134) mit teilweise kondensierten Kernen sind SBT-FIC-Isomere, die vier Thiophene, zwei Cyclopentadiene und einen Benzolring enthalten.
Einer der Hauptunterschiede zwischen den drei NFAs ist die Komplexität der Synthese. Die Herstellung von SBT-FIC erfordert 10 Syntheseschritte, während die Herstellung von A078 und A134 nur 4 bis 6 Schritte erfordert. Darüber hinaus sind A078 und A134 wegen ihrer relativ hohen Ausbeute sowie weniger toxischer und billigerer Materialien für die Synthese attraktiv.
Die Absorptionsspektren von NFA im UV-sichtbaren Bereich sind in 1B und 1C gezeigt... Überraschenderweise zeigen die Dünnfilme A078 und A134 signifikante bathochrome Verschiebungen * ~ 135 nm im Vergleich zu SBT-FIC mit einem Absorptionspeak bei λmax = 900 nm.
Batochrome Verschiebung * - Verschiebung des Spektralbandes in den langwelligen Bereich unter dem Einfluss von Substituenten oder Änderungen in der Umgebung.Die Cyclovoltammetrie von NFA-Molekülen zeigte, dass für SBT-FIC die Energien des höchsten besetzten Molekülorbitals * (HOMO) und des niedrigsten freien Molekülorbitals (LUMO) EH = -5,81 (± 0,02) und EL = -4,15 (± 0,03) eV waren. Für A078 betrugen die Indizes 5,58 (± 0,02) und -4,06 (± 0,03) eV. Und für A134: -5,54 (± 0,02) und -4,05 (± 0,03) eV.
* — , .A078 und A134 weisen eine geringere HOMO-LUMO-Bandlücke (~ 1,40 eV) auf als SBT-FIC (~ 1,65 eV), was mit optischen Messungen übereinstimmt.
( ) — , .
( ) — .
Ferner wurde mit PCE-10 gemischtes NFA in OPV mit der Struktur ITO / ZnO (30 nm) / aktive Schicht (~ 100 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (100 nm) verwendet .
Bild 2
Grafik 2A zeigt die Stromdichte- und Spannungseigenschaften der oben beschriebenen NFA + PCE-10.
In einer auf A078 basierenden Vorrichtung wurden folgende Parameter erreicht: PCE = 13,0 ± 0,4%, VOC = 0,75 ± 0,01 B, JSC = 24,8 ± 0,7 mA / cm 2 und FF = 0,70 ± 0,04.
Das auf A134 basierende OPV-Gerät zeigte: PCE = 7,6 ± 0,2% mit VOC = 0,75 ± 0,01 V, JSC = 16,7 ± 0,5 mA / cm 2 und FF = 0,61 ± 0,03.
Für das PCE-10: SBT-FIC-Gerät waren die Indikatoren wie folgt: PCE = 7,8 ± 0,3% mit VOC = 0,70 ± 0,01 V, JSC = 17,2 ± 0,7 mA / cm 2 und FF = 0,65 ± 0,02.
Es ist anzumerken, dass die Zugabe von 1-Phenylnatalen (PN) zu einer signifikanten Steigerung der Effizienz der A078- und A134-Vorrichtungen im Vergleich zu SBT-FIC führt, was mit der verbesserten molekularen Packung von A078 und A134 sowie der günstigeren Orientierung der Moleküle in der Mischung verbunden ist. Sie können auch sehen, dass das PCE-10: A134-Gerät im Vergleich zum OPV PCE-10: A078 eine niedrigere PCE aufweist. Dies ist auf die Kristallinität von A134 zurückzuführen, die zu seiner geringeren Löslichkeit führt.
Grafik 2B zeigt die Spektren der externen Quanteneffizienz * (EQE) verschiedener Gerätevarianten.
Quanteneffizienz * - das Verhältnis der Anzahl der Photonen, deren Absorption die Bildung von Quasiteilchen verursachte, zur Gesamtzahl der absorbierten Photonen.Die signifikante Verbesserung der JSC für A078 gegenüber SBT-FIC OPV ist auf die Rotverschiebung der Absorption von ~ 200 nm * zurückzuführen , die eine Abdeckung des Sonnenspektrums weiter in das NIR ermöglicht.
Rotverschiebung * - ein Phänomen, bei dem die Wellenlänge der Strahlung zunimmt (z. B. wird das Licht röter) und Frequenz und Energie abnehmen.EQE A078 OPV erreicht 80% zwischen λ = 700 und 900 nm und hinterlässt ein Transparenzfenster zwischen den sichtbaren Wellenlängen von 400 bis 650 nm.
Bild 3 Die
Diagramme 3A - 3C zeigen die Profile verschiedener Geräte auf der Basis von reinen NFA-Filmen und einer PCE-10: NFA-Mischung mit / ohne 1-Phenylnatalen.
Mit der Zugabe von 1-Phenylnatalen bleibt der Absorptionsindex des PCE-10: NFA-Films praktisch unverändert. In den Gemischen PCE-10: A078 und PCE-10: A134 wurde jedoch ein neuer ausgeprägter Aggregationspeak bei etwa 900 nm gefunden. Dies weist darauf hin, dass die Zugabe von 1-Phenylnatalen die intermolekularen π-π-Wechselwirkungen eher an teilweise gebundenen Akzeptoren als am Polymerdonor verstärkt.
Ferner wurden die morphologischen Eigenschaften verschiedener Varianten der Vorrichtung untersucht.
A078 zeigt einen breiten (100) Beugungspeak bei 0,31 Å - 1 mit einer lamellaren Kohärenzlänge L c = 7,5 nm. Im Fall von A134 war der Beugungspeak bei 0,36 Å - 1 mit einem höheren Wert von L c = 15 nm schmaler und schärfer . Daraus folgt, dass A134 eine höhere Ordnung als A078 aufweist, was durch den Ersatz der sperrigen Seitenkette des p-Hexylphenylmoleküls durch kompakte lineare Alkylketten erklärt wird.
SBT-FIC zeigt wiederum einen Beugungspeak bei 0,34 Å - 1 mit der kürzesten lamellaren Kohärenzlänge L c = 3,7 nm aufgrund seiner amorphen Natur.
Aufgrund der Zugabe von 1-Phenylnatalen sind die Beugungspeaks (010) PCE-10: A078 und PCE-10: A134 ( 3E)) bei 1,79 und 1,82 Å - 1 (aufgrund von NFA) sind verschoben und zeigen eine erhöhte Kohärenzlänge (24 gegenüber 52 Å für A078) und (30 gegenüber 63 Å für A134).
Die Zugabe von Additiven zu PCE-10 beeinflusst den Kohärenzwert jedoch in keiner Weise. Dies bestätigt, dass morphologische Unterschiede zwischen Gerätevarianten von der NFA und nicht vom Spender stammen.
Bei Verwendung von 1-Phenylnatalen wurde außerdem eine Abhängigkeit von der Orientierung der Moleküle (parallel oder senkrecht) festgestellt. Für PCE-10: A078 steigt das Parallel / Senkrecht-Verhältnis von 2,37 auf 3,64 ( 3D ). Da die parallele Ausrichtung der Moleküle ideal für den Ladungstransfer ist, wird deutlich, warum das A078-Gerät (im Vergleich zu anderen Optionen) einen so hohen Wirkungsgrad aufweist.
In Anbetracht dieser Daten wurde A078 in den untersuchten semitransparenten Photovoltaikzellen (ST-OPV) verwendet, deren Struktur wie folgt aussah: ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (95 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (16 nm).
Bild Nr. 4
Das empfangene ST-OPV zeigte LUE = 2,8 ± 0,1%, PCE = 11,0 ± 0,7% und APT = 25,0 ± 1,3%. Trotz der guten PCE> 10% kann dieses Gerät in der Architektur nicht verwendet werden, da die durchschnittliche Lichtdurchlässigkeit der APT ~ 50% betragen muss.
Wissenschaftler konnten dieses Problem aufgrund einer speziell entwickelten Struktur zur Steuerung der optischen Eigenschaften des Geräts lösen, die eine maximale Transmission im sichtbaren Bereich und maximale Reflexion im nahen Infrarotbereich ermöglicht.
Auf die Silberanode wurde eine optische OC-Beschichtung aufgebracht, die aus vier Schichten bestand: CBP (C 36 H 24 N 2 ; Schichtdicke 35 nm, Brechungsindex 1,90) / MgF 2 (100 nm, 1,38) / CBP (70 nm) / MgF 2 (45 nm). Und auf der distalen Oberfläche des Glassubstrats beschichtetes ARC (Antireflexionsmaterialschicht) bestehend aus einer Doppelschicht MgF 2 (120 nm) und SiO 2 (130 nm) mit einem ausreichend niedrigen Brechungsindex 1,12.
ST-OPV mit OC und ARC zeigte einen Anstieg der durchschnittlichen Lichtdurchlässigkeit (APT) von 25,0 ± 1,3% auf 45,7 ± 2,1%, was eine Verbesserung von fast 80% im Vergleich zu einem Gerät ohne zusätzliche Schichten (d. H. Ohne OC und ARC) darstellt. ... Der PCE-Wert (Power Conversion Efficiency) blieb praktisch unverändert ( 4C ). Es wurde nur eine leichte Abnahme der Stromdichte beobachtet (JSC = 20,4 ± 0,8 gegenüber 20,9 ± 1,2 mA / cm 2 ). Mit dieser Gerätekonfiguration betrug die Lichtnutzungseffizienz LUE = 5,0 ± 0,3%. Laut Wissenschaftlern ist diese Zahl die höchste unter den derzeit verfügbaren ST-OPV-Geräten.
Die Hauptindikatoren des entwickelten Geräts sind vielversprechend, es bleibt noch zu untersuchen, wie es mit simuliertem Sonnenlicht (AM1.5G) aussieht.
Das durch die Vorrichtung mit OC- und ARC-Beschichtung durchgelassene Licht hatte chromatische Koordinaten (0,33, 0,39) und CCT = 5585 K. Währenddessen verleiht das hohe Reflexionsvermögen der ultradünnen Silberkathode bei λ> 600 nm der Vorrichtung einen grünen Farbton. Im Gegensatz zu Ag hat ITO eine höhere Transparenz mit einem flachen Transmissionsspektrum im sichtbaren Bereich. Die Verwendung einer ITO-Kathode und -Anode führt zu einem neutraleren Farbton.
Bild 5
Die obigen Grafiken und Fotos zeigen die spektralen Eigenschaften von Stromdichte, Spannung und EQE eines ITO-basierten ST-OPV-Geräts mit der folgenden Struktur: MgF 2(120 nm) / ITO-Glas / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (105 nm) / MoO 3 (20 nm) / ITO-Abscheidung (140 nm) / MgF 2 (145 nm) / MoO 3 (60 nm) ) / MgF 2 (190 nm) / MoO 3 (105 nm).
Im Vergleich zum Ag-basierten ST-OPV zeigt das ITO-Gerät aufgrund seiner höheren Austrittsarbeit * und seines höheren Oberflächenwiderstands (~ 50 Ohm / Quadrat) Unterschiede in FF und VOC .
Die Austrittsarbeit * ist die Energie, die ein Elektron erhalten muss, um es aus dem Volumen eines Festkörpers zu entfernen.Die signifikantesten Unterschiede wurden jedoch bei den JSC- und PCE-Werten beobachtet. Wenn die Vorrichtung immer transparenter wird, wird die Reflexion von der ITO-Anode in den dünnen aktiven Bereich verringert, wodurch ein doppelter Durchgang von Photonen vermieden wird. Um den Verlust energiearmer Photonen zu minimieren, wurde die OC-Beschichtung speziell für maximale Transmission im sichtbaren Spektrum und höheres Reflexionsvermögen bei längeren Wellenlängen entwickelt. Somit weist die OC-beschichtete Vorrichtung 15% höhere JSC- und PCE-Werte im Vergleich zur unbeschichteten ITO-Vorrichtung auf, obwohl die scheinbare Transparenz praktisch unverändert bleibt.
Das OC-beschichtete ITO-Gerät weist einen LUE = 3,5 ± 0,1%, einen PCE = 8,1 ± 0,3% und einen APT = 43,3 ± 1,5% auf und weist einen nahezu neutralen Farbton auf. Die Analyse des zu testenden Geräts ergab auch, dass es die Farbe des dahinter liegenden Objekts überträgt ( 5D ).
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
Städte sind voller Häuser (Entschuldigung für das Offensichtliche), daher viele Fenster. Ihre Nutzung als Plattform für das Sammeln von Sonnenenergie ist eine sehr vernünftige, aber schwer umsetzbare Idee. Einerseits ist es notwendig, die maximale Energie zu sammeln, andererseits besteht die Essenz des Fensters darin, dass es transparent ist.
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler einen funktionierenden Prototyp eines halbtransparenten Photovoltaikzellengeräts mit PCE = 10,8 ± 0,6%, APT = 45,7 ± 2,1% und LUE = 5,0 ± 0,3% demonstrieren. Mit anderen Worten betrug der Wirkungsgrad der Vorrichtung 10,8% und ihre Transparenz 45,8%. Der Hauptvorteil dieser Entwicklung ist das Gleichgewicht zwischen diesen Indikatoren.
Derzeit liegt der Wirkungsgrad der Lichtnutzung bei etwa 5%, was bereits gut ist, da die Vorgänger maximal 2-3% abgeben könnten. Wissenschaftler beabsichtigen jedoch, ihre Arbeit fortzusetzen und 7% zu erreichen. Eine weitere Herausforderung, die sie sich gestellt haben, besteht darin, die Lebensdauer des Geräts auf 10 Jahre zu verlängern. Langlebige, effiziente und ästhetisch ansprechende Solarzellen können ein gewöhnliches Bürogebäude in eine Art Solarkraftwerk verwandeln.
Ich möchte sagen, dass solche Studien zeitgemäß sind, aber dies ist nicht der Fall. Solche Entwicklungen, insbesondere so massiv wie jetzt, hätten viel früher durchgeführt werden müssen, ohne auf den Moment zu warten, in dem die Verhinderung einer Umwelt- und Energiekatastrophe zu einer Analyse der Folgen wird. In jedem Fall sind solche Unternehmungen, wenn auch mit Verzögerung, nicht nur für die Zukunft der Menschheit, sondern auch für die Zukunft unseres Planeten von großer Bedeutung.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein schönes Wochenende, Jungs! :) :)
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