Органические солнечные батареи - современные тенденции фотовольтаики

Эта статья – первая в цикле обзорных научно-популярных статей про новые технологии и разработки в сфере энергетики и промышленной экологии.

Сейчас тепловые насосы, солнечные панели и системы умный дом уже не являются экзотикой. С распространением данных технологий их стоимость снижается и они становятся доступны большему числу людей.

Но что если заглянуть в недалекое будущее «зеленой энергетики» и познакомиться с технологиями, которые только набирают популярность или еще находятся на стадии разработок.

Современная углеродная фотовольтаика выступает одним из наиболее многообещающих направлений в сфере альтернативной энергетики.

Конструктивные особенности

Многослойная архитектура.

В таких устройствах функциональные ингредиенты распределяются по подложке строго разграниченными ярусами. Наглядным примером служит тонкопленочная структура, базирующаяся на полупроводниковом соединении меди, индия, галлия и селена (CIGS).

Гетеропереходная архитектура.

Эта разновидность базируется на использовании смесей углеродных наноматериалов (например, графена) и специальных полимеров. Ключевая особенность структуры — наличие всего одного фотоактивного слоя, который формируется путем соединения полимерного донора и фуллеренового (или нефуллеренового) акцептора.

Многослойные модификации (включая CIGS) сегодня наиболее востребованы в аэрокосмическом секторе и оборонном комплексе, поскольку их эффективност уже приближается к 25–27%. Гетеропереходные полимерные ячейки ориентированы на массовый гражданский рынок благодаря минимальной себестоимости и технологической простоте интеграции в любые поверхности.

Основные преимущества

1. Ультратонкий профиль. Толщина готового рабочего модуля составляет всего около 1 мм.
2. Физическая выносливость. Структура обладает высокой механической прочностью и эластичностью.
3. Адгезивная универсальность. Фотоактивные составы легко адаптируются для нанесения на подложки любого типа.
4. Высокая скорость масштабирования. Технология позволяет развернуть поточное производство на непрерывных гибких лентах по принципу «рулон в рулон» (Roll-to-Roll).
5. Управляемая оптика. Светопроницаемость панелей можно регулировать под конкретные задачи — вплоть до создания полностью прозрачных фотоэлектрических стекол.
6. Малая материалоемкость. Минимальный удельный вес снижает нагрузку на несущие конструкции.
7. Экологическая нейтральность. Компоненты безопасны для человека и не создают токсичных отходов при утилизации.

Практическое применение

1. Энергогенерирующее остекление.. На рынке уже доступны коммерческие решения на базе светопроницаемых графеновых пленок. Они монтируются непосредственно на стеклопакеты, выполняя двойную функцию: тонируют помещение и одновременно генерируют электричество из солнечного света.
2. «Умный» текстиль. Инновационным витком стало создание фотоэлектрических нитей. Сейчас технология активно внедряется в производство функциональной спецодежды, обуви, рюкзаков и экипировки.
3. Транспортная индустрия. Наблюдается постепенное замещение жестких кремниевых панелей эластичными углеродными аналогами в авиастроении и автомобильной промышленности.
4. Туризм и активный отдых. Данный тип фотовольтаики незаменим в многодневных экспедициях, походах и на водных маршрутах. Органика демонстрирует превосходную производительность даже в условиях сильной облачности, тумана или рассеянного света.

Пути модернизации и увеличения эффективности технологии

Рулонные полимерные модули все еще уступают классическому кремнию в чистой производительности. Для устранения этого технологического разрыва инженеры развивают два ключевых подхода.

Метод №1: Тандемная архитектура ячеек

Одной из уязвимостей органических соединений долгое время оставались слабые внутримолекулярные связи. Проблему удалось решить путем проектирования тандемных (каскадных) ячеек. В такой конструкции каждый слой сформирован из уникального типа органического полимера, настроенного на поглощение строго определенного спектра световых волн (от ультрафиолетового до инфракрасного).

Признанным лидером в этой области считается исследовательская группа под руководством китайского физика Чэнь Юншэня. Согласно расчетам ученых, планомерное развитие каскадной архитектуры позволит в ближайшие годы поднять планку КПД органических элементов еще на 30–40%.

Метод №2: Биогенная фотовольтаика на базе ГМО-микроорганизмов

Первопроходцами в создании фотоэлементов с применением генетически модифицированных бактерий стали исследователи из Университета Британской Колумбии (Канада). Эксперименты строятся на работе со штаммами кишечной палочки (E. coli), которые в процессе жизнедеятельности способны синтезировать ликопин — органический пигмент, эффективно поглощающий свет.

Биохимикам удалось интегрировать данные микроорганизмы в минеральный полупроводниковый порошок. При нанесении этой смеси на специальную подложку «живые» элементы начинают генерировать стабильный электрический ток.

Несмотря на то, что бактериальные панели пока не вышли на стадию массового коммерческого производства, они обладают фундаментальным преимуществом — потенциально неограниченным эксплуатационным ресурсом. При поддержании оптимальной питательной среды колонии бактерий непрерывно сменяют друг друга поколениями. Это позволяет генерирующей биопленке функционировать автономно на протяжении колоссальных промежутков времени.

Мы интересуемся новыми технологиями чтобы оставаться актуальными. Технологии, которые еще 5-7 лет назад казались фантастикой, уже применяются в практике.