A szerves napelemek olyan fényelektromos cellák , beleértve legalább az aktív réteg anyaga szerves molekulák .
Fejlesztésük a kísérlet a fotovoltaikus elektromosság költségeinek csökkentésére , amely kétségtelenül ennek a technológiának a legfőbb akadálya, de azt is remélik, hogy vékonyabbak, rugalmasabbak, könnyebben és olcsóbban előállíthatók, ugyanakkor ellenállóak lesznek.
A szerves fotovoltaikus cellák előnyei a szerves félvezetők alacsony költségei , valamint a gyártási folyamat számos lehetséges egyszerűsítése.
Főleg három típus létezik:
Az első szerves fotovoltaikus cella 1985-ben jelent meg (hivatalosan 1986-ban jelent meg Applied fizics betűkkel), és százalékos hatásfoka körülbelül 1% volt. Ennek ellenére ennek a technológiának az első áttörésére 1992-ben került sor Sariciftci és mtsai. egy olyan eszköz előállításával, amely egy elektron donor polimer és egy elektron akceptor fullerén közötti heteró kapcsolódásból áll. Ennek a technológiának a népszerűsége 2006-ban nőtt, amikor Scharber és mtsai. empirikus modellt hozott létre, amely megállapította, hogy a szerves fotovoltaikus cellák képesek 10% -os energiahatékonyságot elérni, ami kétszerese a korabeli eszközök hatékonyságának.
A szerves félvezetőkben megkülönböztetünk polimereket vagy molekulákat, amelyek centrifugálással rakódnak le, és a kismolekulákból álló anyagokat, amelyeket hő-bepárlással raknak le.
Műanyagot (PEN, PMMA stb.) Szubsztrátként használva ezek a cellák folyamatos gyártás lehetőségét kínálják (roll-to-roll), amely végül elfogadható áron lehetővé tenné a napelemekhez való hozzáférést.
Szervetlen szüleikhez hasonlóan a szerves napelemek is a fotovoltaikus hatást használják a fényenergia villamos energiává történő átalakítására. A hatás a félvezető anyagok tulajdonságain alapszik . Ezeket az anyagokat egy tiltott sáv jelenléte jellemzi, amelynek szélessége meghatározza a minimális energiát, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektron gerjeszthető legyen az alapállapotából. Ez a gerjesztés meg lehet valósítani fénnyel, ahol egy foton gerjeszt egy elektront, amely a vegyérték sávban van , így az utóbbiban töltés hiányát hagyja (ezt a töltés hiányát egy pozitív töltésű részecske, amelyet "lyuknak" neveznek). A gerjesztett elektron elhagyja a vegyérték sávot, hogy csatlakozzon a vezetési sávhoz , ha a fotonnak elegendő energiája van. Abban az esetben, ha a foton energiája túl magas, ez az elektron-lyuk pár nem jön létre. Szervetlen félvezetőben, ahol a belső mezők doppingolással könnyen szabályozhatók, a gerjesztett elektron ezután az elektródákhoz utazhat, ezáltal külső elektromos teret generálva.
Szerves anyagban bonyolultabb a helyzet az alacsony elektromos vezetőképesség, az alacsony dielektromos állandó és az összetett morfológia miatt, amelyek megakadályozzák az ellenőrzött doppingolást és csökkentik a szűrést . Így ezekben az anyagokban a töltés általában egy molekulára vagy legjobb esetben néhányra korlátozódik. A gerjesztett elektronok így továbbra is kapcsolódnak a furatokhoz, excitont képeznek , és nem válhatnak szét az eszközök interfészén. Az exciton egy bizonyos idő után rekombinálódhat is, sugárzóan (fénykibocsátással) vagy sem, így tönkretéve a töltéshordozókat.
Ezen töltések elválasztására a félvezető anyagot egy olyan második anyaggal érintkezésbe hozzák, amelynek vegyérték- és vezetősávjainak energiája kissé alacsonyabb, mint az első energiája. Ezután a második anyag az elektron-akceptor, míg az első az elektron-donor szerepét tölti be. Ezt az eszközt II. Típusú heterojunkciónak nevezzük . Amikor egy exciton megérkezik az anyagok közötti határfelületre, az elektron átkerül az akceptorra, a lyuk pedig a donorra. Az így elválasztott hordozóknak a külső interfészekre kell menniük, hogy csatlakozzanak a készülék elektródáihoz, anélkül, hogy más szabad hordozókkal rekombinálódnának. Ez a diffúziós és szétválasztási folyamat nanométeres skálán megy végbe, de néhány exciton 10 nm körüli távolságot képes megtenni .
Még a kísérleti kutatás szakaszában a polimer napelemek hatékonysági rekordja 2008-ban 4 és 5% között volt; A laboratóriumban 5,9% -os világrekordot sikerült elérni2008. július a Drezdai Műszaki Egyetem Alkalmazott Fotovoltaikus Intézetében.
A félvezető polimerek (kopolimerek) új generációjának kifejlesztése a 2000-es évek végén különböző intézményi és magán laboratóriumokban megengedte a hozam megugrását, 5% körüli értékről 7% feletti hozamra lépve. Mivel ezek az új rendszerek még nincsenek tökéletesen optimalizálva, rendszeresen új rekordokat érnek el. Így a Mitsubishi Chemical Corporation csoport 2011-től egymást követően 8,5%, 9,2%, 10,0%, majd 10,7% hozamot ért el, amely a mai napig (2013 május) a legkorszerűbb. Ez a 10% -os mérföldkő nem csak szimbolikus, mivel a szerves napelemeknek először olyan hatékonyságot biztosít, mint a versengő technológiáké, például az amorf vagy nanokristályos szilíciumon alapuló celláké .
Ne feledje azonban, hogy ezeket a hozamokat viszonylag kis területeken (1 cm 2 ) érik el , az alkalmazáshoz közelebb eső területek rekordja nem2013 májusmint 6,8%. Ezenfelül ezen szerves vegyületek stabilitása valós körülmények között (azaz nedvességnek, oxigénnek és ultraibolya sugárzásnak van kitéve) még mindig jelentős javításokat igényel.
Azonban már léteznek olyan vállalatok, mint a Konarka (en) vagy a Heliatek (en), amelyek specializálódtak a szerves napelemeken alapuló termékek fejlesztésére és forgalmazására. A Konarka azonban 2012-ben csődbe ment. Így organikus napelemek kaphatók hordozható eszközök (vagy napelemekkel borított kézitáskák) töltésére, ezen anyagok egyik előnye valóban a rugalmasságuk.
Az európai FabriGen projekt képviselői bemutatták a végét 2014. májusegy 6 m hosszú és 50 cm széles szerves fotovoltaikus modul prototípusa ; ez a projekt organikus modulok gyártását célozza szöveten, ugyanakkor rugalmas, olcsó és könnyű. A projekt célja, hogy 7% -nál nagyobb modulhatékonyságot érjen el egy watt-csúcsonként kevesebb, mint egy euró áron, és a megtermelt villamos energia ára húsz év alatt kevesebb, mint 100 € / MWh . A FabriGen projekt négy európai ország hét partnerét tömöríti.
Az ArtESun, a vállalatok és kutatóintézetek európai konzorciumának projektje, a VTT finn kutatóintézet koordinálásával 15% -ot meghaladó hatékonyságú cellákat mutatott be
A szerves eszközök számos további nehézséget jelentenek szervetlen társaikkal szemben. Először is, az esetleges kereskedelmi forgalomba hozatal előtt még el kell érni a hatékonyság és a kapszulázás fejlődését . Az oxigén nagyon elektronegatív , reagál a felesleges elektronokkal és módosítja a polimer fizikai-kémiai tulajdonságait.
A töltéselválasztási folyamat során számos energiaveszteség is bekövetkezik. A különbség kb 0,3 eV van szükség a vegyérték pályák a komponensek a heterojunction a hatékony töltés szeparáció. Ez különösen annak köszönhető, hogy a szerves anyagok alacsony dielektromos állandója csökkenti a töltéshordozók szkrínelését , amelyek ezután kapcsolódnak egymáshoz.
Az energiaveszteség másik tényezője az elektromos töltéseknek a készülék elektródáiba történő szállítása során található. Ezen a helyen újabb, körülbelül 0,3 eV-os veszteség következik be. A veszteség a töltésátadási állapotok elektronikus dinamikájának tulajdonítható, amelyben a hordozók mindig nagy távolságra vannak megkötve, de ez a sajátos veszteségjelenség még mindig rosszul érthető.
A morfológia a szerves napelemek fontos korlátozó tényezője is. Ezen eszközök morfológiájának ellenőrzése nehéz, mivel ez olyan összetett tényezőktől függ, mint a hőmérséklet és a polimer funkcionális csoportjai. Egy hatékony eszköznek maximalizálnia kell a donor polimer és az akceptor fullerén közötti érintkezési területet, miközben közvetlen kapcsolatot biztosít az anyagok és az elektródák között. A jobb morfológia elősegítené az eszköz külső kvantumhatékonyságának növelését, a keletkező elektronok számának és a beeső fotonok számának arányát, amely általában 65% -ot tesz ki. A jobb napelnyelés is hozzájárulhat a kvantumhatékonyság növeléséhez. A donorpolimer ideális sávszélességének 1,1 és 1,4 eV között kell lennie , ami nehezen elérhető terület, mivel a szerves anyagokra jellemző sávszélesség sokkal nagyobb.
Nanotechnológia : A laboratóriumban a hibrid napelemek 2% -os hozamot értek el doppingolással, szerves polimerek egy rétegének szervetlen nanorészecskékkel történő adalékolásával, speciális felületi kezeléssel, nanorészecskék lerakásával , szelén-kadmium doboz kvantum kihasználásával (szabadalmaztatott módszer).