Fabrication des Dispositifs Photovoltaïques Organiques

M. Matthias Haeussler, Futur Navire Amiral de Fabrication, Organisme de Recherche Industrielle Scientifique et De Commonwealth (la CSIRO), Australie
Auteur Correspondant : Matthias.Haeussler@csiro.au

La Plupart de piles solaires disponibles dans le commerce d'aujourd'hui sont effectuées à partir des matériaux minéraux tels que le silicium élevé-épuré, qui les rend chers et moins compétitifs avec d'autres sources d'énergie telles que le charbon. Le prochain rétablissement des piles solaires sera la lumière, flexible, attrayant et avant tout, bon marché, parce qu'elles seront effectuées à partir des matériaux (en plastique) organiques. Leurs propriétés légères flexibles leur permettront d'être déployés au-dessus d'un large éventail d'ameublement d'applications neuves par exemple, établissant les composants Etc. permettant à l'énergie d'être produite où elle est utilisée.

Piles Solaires, aussi cellules photovoltaïques (PV) appelées par des scientifiques, lumière solaire de converti directement dans l'électricité. Le PICOVOLTE obtient son nom du procédé de la lumière de conversion (photons) à l'électricité (tension), qui est appelée l'effet de PICOVOLTE.

Les piles solaires De Plastique produites à partir des semi-conducteurs organiques offrent le potentiel de fournir la conversion à énergie solaire efficace avec la fabrication bonne marchée. Un défi majeur à surmonter est d'améliorer l'efficience, il y a un besoin de développer les matériaux de lumière-absorption avec la séparation efficace de charge et de charger des propriétés de transport et de les fabriquer dans des couches actives de piles solaires avec un nanomorphology réglé.

Assimilé aux dispositifs effectués à partir du silicium, la couche de lumière-absorption de cellules photovoltaïques (OPV) organiques se composent d'un de type p (donneur d'électrons, D) et un de type n (l'accepteur d'électron, A) matériau, le Schéma 1. semi-conducteurs organiques de type p Utilisés généralement incluent des polymères basés sur des synthons de thiophène tels que P3HT, PBTTT, PCPDTBT.1 Les meilleurs matériaux de type n jusqu'ici ont été des dérivés de fullerene tels que PCBM61 et PDI. Ce composé actif de couche est serré entre une anode transparente (par exemple oxyde de bidon d'indium, ITO) et (par exemple aluminium, Al) une cathode métallique.

Figure. 1 tableau d'Énergie d'une pile solaire organique affichant les procédés concernés en produisant d'un photocurrent. Également affichés sont des exemples des semi-conducteurs de type n de p et organiques particuliers.

Afin de produire d'une charge, la lumière d'incident excite un électron dans le matériau de distributeur de sa masse (ou d'orbite moléculaire le plus fortement occupée - HOMO) à la condition enthousiaste (ou à l'orbite moléculaire inoccupée la plus faible - LUMO) et de lames derrière un trou ou une charge positive (Étape 1 dans Fig. 1). Cet exciton se déplace alors à la surface adjacente du DANEMARK, où il subit un transfert des charges au niveau de LUMO de l'accepteur (Étape 2). Le Transport de l'électron à l'électrode et de la recombinaison avec le trou par le circuit externe produit un photocurrent (Étape 3).

Un des défis principaux dans des matières organiques est leur constante diélectrique par nature faible, ayant pour résultat des longueurs de diffusion relativement courtes d'électron comparées aux semi-conducteurs minéraux.2 Afin de réaliser un transfert efficace d'électron entre le donneur et l'accepteur il est nécessaire que les deux matériaux sont à moins de la proximité de 10 nanomètre (Fig. 2A). Cependant, en dépit du coefficient d'absorption élevé habituel de teintures organiques, une épaisseur minimum de 100 nanomètre est exigée pour maximiser l'absorption de la lumière.

Ce problème peut être surmonté en optimisant la surface adjacente entre le donneur et l'accepteur en arrangeant les deux matériaux dans une morphologie dispersée ou en vrac (BHJ) d'hétérojonction pendant le procédé de fabrication (Fig. 2B). En conséquence, un réseau interpénétrant est formé se composant des domaines de distributeur- et riches en accepteur avec une zone dièdre élevée tout en fournissant des tunnels pour le transport de charge aux électrodes (Fig. 2C).

Figure. Plan 2 (a) du bilayer OPV, structurellement assimilé aux piles solaires minérales traditionnelles, (b) de l'idéal et (c) du BHJ réel. Les flèches indiquent des voies pour le transport de charge aux électrodes.

Tandis Que la plupart des piles solaires de prototype développées dans le laboratoire sont fabriquées par la rotation-couche ou la sublimation, le potentiel réel pour la future production d'électricité de coût bas vient du fait que ces semi-conducteurs organiques peuvent être fabriqué au grand volume par le procédé d'impression à bobines commercial existant sur les substrats flexibles de vaste zone.3 Les Scientifiques et les ingénieurs autour du monde ont commencé à développer des procédés pour atteindre cet objectif.

En Australie, les chercheurs Navire Amiral de Fabrication des CSIRO (Organisme de Recherche Industrielle Scientifique et De Commonwealth) du Futur, partnering avec les groupes nationaux et internationaux, ont récent enregistré des essais réussis d'impression en collaboration avec l'International de Securency, une imprimerie de billet de banque.4 Fonctionnant à toute allure, la production a pu être en rampe jusqu'à l'épreuve 200 mètres par minute ou un total de 100 kms par jour. Assumant une efficience visée de 10%, assez de piles solaires pourraient être estampées en cinq mois pour produire de la sortie équivalente de l'électricité d'une centrale électrique de gigawatt (Fig. 3).

Figure. 3 piles solaires organiques Flexibles sur la presse typographique

En Dépit de tous les avantages et énorme potentiel pour la production d'électricité de coût bas, les piles solaires organiques auront besoin continuer l'investissement et le développement ultérieur afin d'accéder au marché de consommateurs. En particulier, les questions ont associé à la morphologie et la stabilité à long terme des matières organiques doivent être répondues. Cependant, les espérances grandes offertes par les piles solaires organiques nous aboutiront sur un voyage passionnant vers la production d'électricité favorable à l'environnement et viable à l'avenir.


Références

1. A.J. Moule et K. Meerholz « contrôle de Morphologie dans les mélanges solution-traités de pile solaire de volume-hétérojonction » Ont Avancé les Matériaux Fonctionnels 19 (2009) 3028-3036
2. Comparer de B.A. Gregg et de M.C. Hanna « organique aux cellules photovoltaïques minérales : Théorie, expérience, et Tourillon de simulation » de la Physique Appliquée 93 (2003) 3605-3614
3. Fabrication de F.C. Krebs « et traitement des piles solaires de polymère : Un examen de l'impression et des Matériaux À énergie solaire et des Piles Solaires 93 de techniques de couche » (2009) 394-412
4. Release de Medias : http://www.csiro.au/news/Trials-for-printable-plastic-solar-cells.html (En octobre 2009 consulté passé)

Droit d'auteur AZoNano.com, M. Matthias Haeussler (la CSIRO)

Date Added: Oct 25, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:10

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