Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Солнечные ячейки с нормальной и инвертированной геометрией
Рис. 2. Нанесение P3HT/PCBM и PEDOT:PSS для промышленного создания полимерных солнечных батарей

Солнечная энергетика отказывается от ITO

Ключевые слова:  ITO, OSC, оптоэлектроника, периодика

Автор(ы): Уточникова Валентина Владимировна

Опубликовал(а):  Уточникова Валентина Владимировна

26 апреля 2012

В последние годы наблюдается быстрое улучшение эффективности органических солнечных элементов на основе полупроводниковых полимеров, которые уже достигают эффективности преобразования солнечного света >7% при естественном солнечном освещении. Все это в сочетании с их низкой стоимостью, гибкостью и легкостью, делает этот тип солнечных батарей все более привлекательными как для энергоснабжения, так и для портативной электроники.

Одним из основных преимуществ органических солнечных элементов является то, что их изготовление довольно дешево, и их можно производить в больших объемах за счет печати органических полупроводниковых чернил на тонкие пластиковые подложки. Тем не менее, проблема стоимости оксида индия и олова (ITO), который используется в качестве электрода на фронтальной поверхности ячейки, представляет проблему и тут: это большие нежелательные затраты, как и в случае светодиодов. Кроме того, во всей оптоэлектронике сегодня стремятся к гибкости, а ITO является довольно хрупким и может не выдержать использования на гибких подложках без растрескивания. Как избежать этих ограничений за счет использования альтернативных материалов электродов и геометрии устройства – вот важнейшая задача исследований в течение последних лет. Сложность заключается в том, чтобы найти такие электроды, которые были бы не только достаточно надежными и недорогими, но и сочетали бы в себе высокую оптическую прозрачность с высокой электрической проводимостью.

К счастью, похоже, что создание ячеек без ITO с разумной производительностью уже не за горами. Один из путей к созданию солнечных батарей без ITO лежит через использование прозрачного полимерного электрода на основе легированного производного политиофена PEDOT, с или без металлического токоприемника. Токоприемник, который собирает фототоки на границе прозрачного электрода, обладает высокой проводимостью, но его недостатком является низкая прозрачность. В некоторых масштабах использование токоприемников всегда будет необходимо для фотоэлектрических модулей, так как ни один из прозрачных электродных материалов на сегодняшний день не обеспечивает как высокую прозрачность, так и достаточно высокую электропроводность. Были использованы новые геометрии токоприемников (например, шестиугольники) размера 0,1-1 мм с последующим использованием травления с помощью фоторезистов или мягкой литографии. Также проводились подобные исследования с использованием альтернативных способов нанесения токоприемника.

Другой популярный подход заключается в использовании тонких, прозрачных наноструктурированных электродов на основе нанопроводов из серебра или меди, часто нанесенных на прозрачный электрод PEDOT, нанесенный из раствора. Такие нанопровода обеспечивают пути фототока с низким сопротивлением и, следовательно, могут выступать в качестве токоприемников при нанесении или печати на прозрачный электрод с более низкой проводимостью. Кроме того, механические свойства металлических нанопроводов делают их перспективными для использования в гибкой электронике.

Недавно ученые продемонстрировали использование тканых гибких электродов, которые обеспечивают преимущества электродов на основе серебряных или медных нанопроводов, но на микро- – миллиметровом масштабе. Прозрачная ткань была пропитана проводящим полимером PEDOT:PSS для формирования гибкого анода, на котором и было построено стандартное устройство. Электроды, сделанные таким образом, обладают низким сопротивлением и значительной прозрачностью, в результате чего можно получить устройства с КПД> 2%, которые можно изготовлять со скоростью 10 м/мин.

Использование альтернативной геометрии устройства может также помочь отказаться от использования ITO. Если перевернуть солнечную батарею, получится устройство, в котором в качестве нижнего слоя используется металлический катод, затем идет активный слой, и, наконец, прозрачный электрод сверху. Полупрозрачные солнечные батареи, в которых и анод, и катод являются прозрачными, могут быть также отнесены к этому классу. Устройства с перевернутой геометрией с прозрачным полимером в качестве анода уже были опубликованы, но выбор металла для катода сегодня имеет решающее значение для достижения желаемой функциональности устройства. Кроме того, оказывается, что такая перевернутая структура не только приводит к значительному повышению стабильности, но и имеет значительные преимущества с точки зрения производства, так как она включает в себя только нанесение металлического рисунка на подложку и нанесение методом печати (из раствора) активного вещества и второго электрода (полимера).

Эта последовательность обработки была недавно использована для производства и оценки работы устройств, полностью нанесенных и раствора. Исследователи создали устройства на основе P3HT/PCBM в качестве активного слоя и PEDOT:PSS в качестве электрода, нанесенных из раствора на предварительно протравленные каптоновские подложки. Хотя такой подход имеет много достоинств для быстрого производства, для глобального применения возникает проблема затенения при использовании токоприемников, что уменьшает фототок. Эффективность, рассчитанная в активной области, в данном случае составляет всего около 1% для серии модулей и 0,5% для индивидуального устройства. Эти значения указывают на проблемы, связанные со сбором тока с большой площади, которая обычно имеет неизбежные дефекты.

Альтернативным методом является замена ITO на тонкую, полупрозрачную металлическую пленку. Недавно были опубликованы предварительные результаты по использованию бислоя Cu/Ni (или, скорее, Cu/Ni/NiOx), прозрачность таких электродов достигает двух третей от прозрачности ITO. Считается, что использование этого материала приведет к значительному фототоку, но до сих пор эксперимент пока не в полной мере продемонстрировал предсказания теории.

Понятно, что есть много материалов и методов обработки, которые могут выступать в качестве альтернативы использования дорогих и хрупких анодов на основе ITO в тонкопленочных органических солнечных батареях. Несмотря на наличие недостатков всех этих методов, во многих случаях является возможным достаточно быстрое производство элементов с этими альтернативными материалами большой площади, что значительно повышает экономическую привлекательность полимеров солнечных элементов.

1. Zhou, Y. H. et al. Appl. Phys. Lett. 92, 233308 (2008).
2. Lee, J. Y., Connor, S. T., Cui, Y. & Peumans, P. Nano Lett. 8, 689692 (2008).
3. Hu, L. B. et al. ACS Nano 4, 29552963 (2010).
4. Kylberg, W. et al. Adv. Mater. 23, 10151019 (2011).
5. Gadisa, A. et al. Synth. Met. 156, 11021107 (2006).
6. Manceau, M., Angmo, D., Jørgensen, M. & Krebs, F. C. Org. Electron. 12, 566574 (2011).
7. O'Connor, B. et al. Appl. Phys. Lett. 93, 223304 (2008).



Средний балл: 10.0 (голосов 5)

 


Комментарии
Палии Наталия Алексеевна, 28 апреля 2012 12:29 
а, может быть, графен
графен да, тоже модно невероятно
Валентина Владимировна, дело не в моде... Сделано еще одно открытие учеными Университета Экстера, UK, естественно, что свой материал, который, возможно, заменит ITO, они назвали GraphExter (see Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201200489. Ivan Khrapach, Freddie Withers,Thomas H.Bointon,Dmitry K. Polyushkin,William L. Barnes, Saverio Russo,Monica F. Craciu. Novel Highly Conductive and Transparent Graphene-Based Conductors)

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Хрустальный череп
Хрустальный череп

Периодическую таблицу Менделеева опять улучшили: наночастицы пятивалентного плутония
Соединения шестивалентного плутония в щелочной среде могут привести к кристаллизации фазы (NH4)PuO2CO3, которая стабильна в течение нескольких месяцев и содержит пятивалентный плутоний. Получение новой фазы пятивалентного плутония фундаментально интересно и открывает новые возможности в разработке более эффективных технологий переработки радиоактивных отходов.

MAPPIC 2019. Второй день
15 октября 2019 года прошел второй день I Московской осенней международной конференции по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019). В сообщении приведены темы докладов и небольшой фоторепортаж.

MAPPIC 2019. Первый день
14 октября 2019 года успешно открылась I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019). В сообщении приведены темы докладов и небольшой фоторепортаж.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.