生產有機光致電壓的設備

馬賽厄斯 Haeussler、將來的製造旗艦聯邦科學和產業研究組織 (CSIRO),澳大利亞博士
對應的作者: Matthias.Haeussler@csiro.au

大多今天商業可用的太陽能電池由無機材料做例如高被淨化的硅,使他們消耗大和較不競爭與其他能源例如採煤。 太陽能電池的下一代將是光,靈活,有吸引力的和最重要,便宜,因為他們由有機 (塑料) 材料將做。 他們靈活的輕量級屬性將使他們部署在例如各種各樣的新建應用程序陳設品,建立要素等使能源被生成使用的地方它。

太陽能電池,也稱 (PV)光電池由科學家,轉換陽光直接地到電裡。 PV 從白光有其名字 (光子) 的進程電 (電壓),稱 PV 作用。

由有機半導體導致的塑料太陽能電池提供潛在提供與低價的製造的高效的太陽能轉換。 解決的一個主要挑戰是改進效率,有需要開發與高效的充電分隔的輕吸收的材料和充電輸運性質和製造他們到太陽能電池有效的層與一受控 nanomorphology。

類似於由硅做的設備,有機光電池輕吸收的層 (OPV)包括 p 型 (給電子體, D) 和 n 型 (電子接受人, A) 材料,圖 1. 常用的 p 型的有機半導體包括在噻吩構件基礎上的聚合物例如 P3HT, PBTTT, PCPDTBT。1 最佳的 n 型的材料到目前為止是球碳衍生商品例如 PCBM61 和 PDI。 此有效的層綜合將夾在中間在透明陽極 (即銦罐子氧化物, ITO) 和一個金屬 (即鋁, Al) 負極之間。

圖。 顯示進程的有機太陽能電池的 1 個能級圖介入在生成 photocurrent。 並且顯示典型的 p- 和 n 型的有機半導體的示例。

為了生成充電,入射光激發在施主材料的一個電子從其陸運 (或高度佔用的分子軌道 - 拉人) 對受激態 (或最低的沒人住的分子軌道 - LUMO) 并且忘記漏洞或一個正電荷 (在圖 1) 的第1步。 此激子到 D-A 界面然後移動,它進行一個電荷轉移到這個接受人 (第2)步的 LUMO 級別。 與漏洞的電子和再結合的運輸對電極的通過外部電路生產一 photocurrent (第3)步。

其中一個在有機材料的關鍵挑戰是他們的固有地低介電常數,造成相對地短的電子擴散長度與無機半導體比較。2 為了達到在這個服務供應商和這個接受人之間的高效的電子調用是必要的二材料在 10 毫微米接近度 (圖 2A) 之內。 然而,儘管通常高吸收系數有機染料,一個最小的厚度 100 毫微米要求最大化光吸收。

在製造進程 (圖 2B) 期間,此問題可以通過優選服務供應商和接受人之間的界面克服通過安排在 (BHJ)被分散的或批量異質結形態學的二材料。 結果,被形成包括與一個高界面積的一個貫穿的網絡施主和接受人豐富的域,當提供通道為充電運輸給電極時 (圖 2C)。

圖。 2 (a) bilayer OPV,結構上相似與傳統無機太陽能電池, (b) 理想和 (c) 實際 BHJ 模式。 箭頭指示充電運輸的路到電極。

當在實驗室裡開發的多數還原太陽能電池由空轉塗層或昇華時製造,在將來的低成本發電的實際潛在來自這個情況那些有機半導體能被製造在大區靈活的基體的大容積通過現有的商業開盤式的曬印方法。3 科學家和工程師環球開始開發進程達到此目標。

在澳大利亞,從 CSIRO'S (聯邦科學和產業研究組織) 將來的製造旗艦的研究員,成為夥伴與國家和國際組,最近報告了成功的打印試算與 Securency 國際,鈔票印刷工司合作。4 運行全速,這個生產能是狂跳亂撞至打印每分鐘 200 米或每天的總共 100 kms。 假設一張被瞄準的 10% 效率,足够的太陽能電池可能在五個月被打印生成等同的電輸出一個千兆瓦發電站 (圖 3)。

圖。 在印刷機的 3 靈活的有機太陽能電池

儘管所有好處和極大潛在低成本發電,有機太陽能電池將需要繼續投資和更加進一步的發展為了進入消費者市場。 特別是,問題與形態學關連,并且有機材料的長期穩定性必須被回答。 然而,有機太陽能電池提供的巨大潛在客戶在往不傷環境和能承受的發電的一次扣人心弦的旅途在將來將導致我們。


參考

1. A.J. Moule 和 K. Meerholz 「在解決方法被處理的批量項目貨簽異質結太陽能電池混合物的形態學控制」提前功能材料 19 (2009) 3028-3036
2. B.A. Gregg 和 M.C. 漢納 「比較有機與無機光電池: 原理、實驗和應用物理學 93 (2003) 3605-3614 模擬」日記帳
3. F.C. Krebs 「製造和處理聚合物太陽能電池: 回顧打印和塗層技術」太陽能材料 & 太陽能電池 93 (2009) 394-412
4. 媒體發布: http://www.csiro.au/news/Trials-for-printable-plastic-solar-cells.html (被獲取的前 2009 10月)

版權 AZoNano.com,馬賽厄斯 Haeussler (CSIRO) 博士

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

Last Update: 13. June 2013 23:02

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