Органические солнечные батареи: преимущества, материалы и перспективы

Современные органические солнечные батареи являются образцом одной из самых перспективных технологий преобразования солнечной энергии. Основные сферы, где она применяется уже сегодня – потребительская электроника, жилой и коммерческий сектор, оборонная промышленность. 

Специалистами прогнозируется, что объём рынка такой фотовольтаики в 2021 году составит более 2,5 млрд. USD. На протяжении последних 5-6 лет появляются все новые изделия на органической основе. В их числе не только гибкие пленки, но и тенты, полупрозрачные навесы, зонты, палатки, сумки, светопреобразующие волокна, ткани и другие.

Органические солнечные батареи – структура, виды и материалы

Все описанные в различных источниках перспективные фотоэлектрические панели на базе органики делятся на два основных вида. 

 1. «Слоистый», в котором активные компоненты наносятся на подложки отдельными слоями. Как видно на фото (тип «а») в качестве примера показана структура органической «слоистой» солнечной батареи. Ее состав – отдельные  плёнки на базе диселенида меди/индия/галлия/селена (CIGS). 

Прогрессивным методом нанесения CIGS является метод печати, основанный на использовании суспензии частиц оксидов металлов – «чернил». С учётом вязкости, зависящей от размеров частиц и их концентрации, возможно использование метода трафаретной печати или струйного осаждения.

2. «Гетеропереходной» (тип «б»). Данный вид органических солнечных батарей – это панели из смеси графена и полимера с обычным гетеропереходом. В их структуре присутствует только один фотоактивный слой, являющийся смесью «донора» фуллерена и полимерного «акцептора». 

Первый вариант наиболее востребован авиационной, космической и оборонной промышленностью, в связи с более высоким КПД, достигающим сегодня 25-27%. Второй вариант обещает стать настоящим прорывом для наземного коммерческого и бытового использования, благодаря низкой стоимости и простоте внедрения.

Характеристики, достоинства и перспективы

Важнейшими характеристиками третьего поколения фотовольтаики являются: 

• толщина порядка 1 мм;
• высокая прочность и устойчивость к внешним факторам;
• легкость нанесения на все виды материалов;
• возможность быстро изготавливаться на бесконечно длинных лентах – так называемые рулонные органические солнечные батареи;
• различная светопропускная способность, вплоть до почти полной прозрачности;
• предельно малый вес;
• экологическая безопасность для окружающей среды и здоровья окружающих.

В настоящее время исследования и разработки новых органических солнечных батарей наиболее интенсивно проводятся в США, Германии, Японии, Китае и России. Основным направлением работ являются создание и совершенствование материалов для их изготовления. Конечная цель – сделать поглощающие энергию солнца элементы:

• более эффективными;
• многофункциональными, 
• быстрыми и простыми в изготовлении;
• с максимально длительным сроком эксплуатации;
• легкими и дешевыми;
• разнообразными по форме.

Сферы применения

Таковых уже сейчас можно насчитать более десятка.

1. Ряд компаний предлагает купить полупрозрачные и прозрачные органические солнечные батареи из графена, которые можно наносить на внешнюю сторону оконных стекол. Это позволяет решать одновременно две задачи – сохранять уровень светопропускания и осуществлять выработку электроэнергии. 
   
2. Еще одним интересным предложением являются фотоэлектрические элементы в виде прочных тканевых волокон. Специалисты прогнозируют, что спустя всего 7-10 лет в источник электричества можно будет превратить любую ткань. А пока их массово начинают вплетать в одежду, обувь, сумки и прочие популярные аксессуары.
3. Следующим перспективным направлением является переход с кремниевых на органические солнечные батареи для автомобилей и самолетов. Купить такие виды транспорта можно во многих странах мира. 
4. Обязательно придет этот вид фотовольтаики в сферу автомобильного, лодочного и пешего туризма. Во время длительных походов, поездок или сплавов по рекам демонстрирующая очень высокий КПД в условиях слабого освещения органика незаменима. 

Повышение производительности батарей из органических материалов

Пока рулонные органические солнечные батареи проигрывают «классике» в уровне эффективности. Для изменения данной тенденции инженеры находят разные способы, из которых более прочих распространены два.

Способ №1 – Тандемные ячейки

Одной из проблем «солнечной» органики являются слабые молекулярные связи. Решение ученые нашли в создании тандемных ячеек, каждый слой которых состоит из органических материалов разного типа и поглощает различные длины волн. 

Лидером разработок этого направления является китайский физик Чен Йонг Шен и его группа. По утверждению профессора, производительность фотоэлектрических элементов этого класса уже через 3-4 года может вырасти на 30-40%.

Способ №2 – солнечные батареи на органических красителях из бактерий с измененной ДНК

Первыми применять бактерии с модифицированным геномом начали канадцы. С 2018 года они экспериментируют с микроорганизмами вида E.coli, известными своей способностью производить ликопин.

Биохимики из университета Торонто смогли внедрить бактерии в минеральный порошок с полупроводниковыми свойствами. При помещении на подложку такие «биогенные» элементы начали давать ток за счет своей жизнедеятельности. 

Пока солнечные батареи на органических красителях не получили широкого распространения. Но их важным достоинством является теоретически почти бесконечный срок жизни. Ведь многие поколения бактерий постоянно будут сменять друг друга, и при правильно подобранных условиях колония на подложке может жить  и давать ток сколь угодно долго.

Рекорд КПД нынешней фото органики составляет 25% - причем при сверхслабой освещенности всего 220 люкс (аналог довольно темной комнаты). Разработчики новинки – CEA (Франция) и Toyobo Co., Ltd (Япония).