Для того, чтобы сделать более гибкий и недорогой тип солнечных элементов коммерчески жизнеспособными, исследователи Мичиганского университета продемонстрировали органические солнечные элементы, которые могут достигать 15-процентной эффективности.
Этот уровень эффективности соответствует многим солнечным панелям или фотогальваникам, представленным в настоящее время на рынке.
«Органические фотогальванические элементы потенциально могут значительно снизить общую стоимость системы солнечной энергии, сделав солнечную энергию по-настоящему вездесущим источником чистой энергии», - сказал Стивен Форрест, директор Peter A. Заслуженный профессор инженерных наук Университета Франкена и профессор инженерных наук Пола Г. Гебеля, руководившие работой.
При 15-процентной эффективности и 20-летнем сроке службы, по оценкам исследователей, органические солнечные элементы могут производить электроэнергию по цене менее 7 центов за киловатт-час. Для сравнения, по данным Управления энергетической информации США, в 2017 году средняя стоимость электроэнергии в США составляла 10,5 цента за киловатт-час.
Органические солнечные элементы включают в свою конструкцию углерод, что дает ряд преимуществ по сравнению с обычными «неорганическими» элементами. Изготовление неорганических солнечных панелей на основе кремния требует больших затрат - они состоят из толстых жестких листов, требующих фиксированных точек установки.
Но органические солнечные элементы на основе углерода могут быть недорого изготовлены в рулонах, достаточно тонких, чтобы сгибаться и изгибаться вокруг конструкций или внутри одежды, и иметь любой цвет, даже прозрачный, чтобы сливаться с окружающей средой.
Несмотря на эти преимущества, органическим солнечным элементам не хватает эффективности, необходимой для конкуренции с традиционными источниками энергии.
«Последние пару лет эффективность органических фотогальванических элементов держалась на уровне 11-12 процентов», - сказал Сяочжоу Че, докторант программы прикладной физики и первый автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature Energy.
Чтобы вырваться из этой колеи, исследователи объединили несколько достижений в дизайне и процессе.
Во-первых, они разработали систему, которая сочетает в себе специальные слои для поглощения как видимого, так и инфракрасного света. По сути, они объединили два органических солнечных элемента - один, способный поглощать свет видимого спектра, начиная с длины волны 350 нанометров, и другой, способный поглощать свет ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны до 950 нанометров..
«Сами по себе клетки достигают эффективности от 10 до 11 процентов», - сказал Че. «Когда мы складываем их вместе, мы увеличиваем поглощение света, а эффективность увеличивается до 15 процентов благодаря антибликовому покрытию».
Укладка ячеек потребовала прорыва в процессе. Команда разработала соединительные слои, которые предотвращают повреждение первой ячейки, но при этом пропускают свет и электрические заряды.
"Это считается сложным процессом, потому что есть шанс, что жидкость, используемая для обработки верхней ячейки, растворит слои, уже отложившиеся под ней", - сказал Че.
Наконец, команда продемонстрировала, что их новый дизайн, материалы и процесс имеют высокую производительность изготовления более 95 процентов. Это означает, что исследователи успешно создали почти все устройства без коротких замыканий, и это важно для масштабирования производства до промышленного уровня.
Несмотря на рекордную эффективность, команда считает, что сможет продвинуться дальше.
«Мы можем улучшить поглощение света, чтобы увеличить электрический ток, и минимизировать потери энергии, чтобы увеличить напряжение», - сказал Че. «Исходя из расчетов, в ближайшем будущем для этого типа многопереходного устройства ожидается 18-процентный КПД».