Polymer solpaneler är en typ av solpaneler som producerar elektricitet från solljus. Det härstammar från 1992, när data om laddningsöverföring från en halvledarpolymer till en acceptor först publicerades . [1] Relativt ny teknik, aktivt forskad på universitet, nationella laboratorier och flera företag runt om i världen. Prototypenheter med en energiomvandlingseffektivitet på 17,4 % demonstreras. [2]
Polymersolceller är vanligtvis tunna filmer av polymera material som är överlagrade på varandra i lager som utför olika funktioner. [3] Beroende på substratet kan tjockleken på ett enda batteri vara från 500 nanometer. [4] Så, på en transparent polymerbas (substrat), täckt med ett ledande skikt av indium-tennoxid , som tjänar som en elektrod , appliceras ett fotoaktivt skikt, bestående av en elektronacceptor och en elektrondonator . [5]
Det finns två typer av fotoaktiva lager:
Ovanpå det fotoaktiva lagret finns en metallelektrod , kalcium , aluminium eller silver , beroende på batteriets arkitektur. I moderna prover placeras ytterligare lager mellan det fotoaktiva lagret och elektroderna: elektronledande eller hålledande , respektive elektronblockerande och hålblockerande . Placeringen av dessa lager i förhållande till det fotoaktiva lagret bestäms av batteriets arkitektur. [åtta]
Det finns två typer av batteriarkitektur: direkt (standard) eller omvänd (inverterad). I inverterade, som namnet antyder, extraheras elektriska laddningar av motsatta elektroder. Så studier har visat att standardbatterier har högre effektivitet än inverterade, men stabiliteten är lägre.
Den låga stabiliteten beror på att standardbatterier använder kalcium som elektrod , som snabbt oxiderar i luft till kalciumoxid , som har dålig konduktivitet . I sin tur tillåter den omvända arkitekturen användningen av silver och guld som elektroder , som är mer motståndskraftiga mot oxidation. [9]
För att förbättra elektronextraktionen i flippade batterier används ofta transparenta ledande oxider som titanoxid och zinkoxid , ofta i form av nanopartiklar eller nanostrukturerade filmer. Nyligen har mer uppmärksamhet ägnats studier av andra skikt som kan förbättra elektronextraktionen, inklusive polymerskikt.
För att förbättra hålextraktionen används transparenta ledande polymerer , såsom en blandning av poly(3,4-etylendioxitiofen) och polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) eller andra ledande oxider med lämpligare elektroniska nivåer, såsom vanadinoxid , molybdenoxid . På senare tid har halvledare baserade på grafen och grafenoxid tilldragit sig ett ökande intresse.
I polymersolceller består det fotoaktiva lagret av två typer av material: en donator och en acceptor . När ljus träffar batteriets yta absorberar givaren (vanligtvis en konjugerad polymer ) en foton av ljus. Våglängden (dvs energin) för denna foton beror direkt på donatorns kemiska struktur och dess organisation i skiktfilmen (till exempel kristallinitet). Den absorberade fotonenergin exciterar elektronen från grundtillståndet till det exciterade tillståndet , eller från den högsta ockuperade molekylära orbitalen (engelska HOMO) till den lägsta fria molekylära orbitalen (engelska LUMO). [tio]
Den kvasipartikel som härrör från en sådan excitation kallas Frenkel -excitonen och består av ett hål (det vill säga frånvaron av en elektron, positiv laddning ) och en exciterad elektron (negativ laddning ). [11] En exciton har ingen laddning och kan inte fungera som en bärare, men den kan röra sig genom det konjugerade donatorsystemet. Beroende på spinntillståndet kan excitoner vara singlett eller triplett . Livslängden för en singlettexciton är nanosekunder, och den för en triplettexciton är ungefär en millisekund eller mer. Under vissa förhållanden kan en singlettexciton förvandlas till en triplett. [12]
Excitonen rör sig i donatorsystemet inte längre än 5-20 nm, beroende på typen av polymer. Den har då två alternativ:
För polymersolceller representerar den senare vägen en förlust i effektivitet: endast excitoner är viktiga , som kan dissociera. Konjugationsenergin för ett hål och en elektron i en exciton i polymersystem är mycket hög, cirka 0,5-1 eV , och därför räcker inte den termodynamiska komponenten vid rumstemperatur för att dela upp excitonen i laddningar . [13] Därför är två aspekter viktiga för excitonseparation: frånvaron av ordning i systemet (engelsk störning) och närvaron av den andra komponenten, acceptorn.
Acceptorns lägsta fria molekylära orbital måste ha en lägre energi för att initiera dissociationen av excitonen och underlätta överföringen av en elektron till acceptormolekylerna. Till exempel sker excitondissociation vid gränssnittet mellan två faser: donator och acceptor; därför är effektiviteten av excitondissociation mycket högre i system med blandade faser. [14] Kvaliteten på gränserna för de två faserna, det så kallade gränssnittet, avgör till stor del batteriets effektivitet, i synnerhet styrkan på den genererade strömmen . När excitonen dissocierar, passerar elektronen till acceptorn och hålet förblir i donatorfasen.
Men efter dissociation är hålet och elektronen inte separata laddningar. De ligger vid fasgränsen i ett bundet tillstånd i form av ett så kallat övergångskomplex eller laddningsöverföringskomplex , bestående av en elektron och ett hål, fortfarande förbundna med varandra, men med lägre energi än i en exciton. [15] Ett sådant komplex kan antingen separera helt under verkan av ett inre fält (bestäms av skillnaden i energinivåerna hos donatorn och acceptorn) eller rekombinera (kombinera till en elektron på marknivå utan att frigöra energi genom strålning ). [16] Sådan rekombination kallas geminate eftersom båda rekombinerande partner har ett gemensamt ursprung (från samma exciton).
Om elektronen och hålet lyckades separera, flyttar de till elektroderna , där de extraheras av motsvarande elektroder. Elektronen rör sig i acceptorfasen till katoden och hålet rör sig i donatorfasen till anoden . Om enskilda laddningar på sin väg möter en motsatt laddning, som av någon anledning inte kom till elektroden, så rekombinerar de också. [17] Sådan rekombination kallas icke-dubbel, eftersom den rekombinerande elektronen och hålet har ett annat ursprung (från olika excitoner). Laddningsrekombination är en av faktorerna som begränsar effektiviteten hos solceller, eftersom de rekombinerade laddningarna inte kan utvinnas. [arton]
Eftersom för framgångsrik laddningstransport varje fas måste vara kontinuerlig genom hela det fotoaktiva skiktet så att laddningen når elektroderna utan hinder, observeras den bästa extraktionen i batterier där acceptorskiktet avsätts på donatorskiktet utan blandning. Men för dissocieringen av excitoner är detta tillvägagångssätt ineffektivt på grund av den lilla fasgränsen.
Således är den optimala morfologin för det fotoaktiva skiktet en kompromiss mellan elektrontransport och excitondissociation vid fasgränsen. Den optimala skiktmorfologin beror på ett stort antal faktorer: donatorns och acceptorns kemiska struktur, deras termiska egenskaper, temperatur och lösningsmedel samt skiktberedningsmetoden. [19] [20] [21]
Jämfört med enheter baserade på kiselteknologi är polymersolceller lätta (viktigt för små sensorer utanför nätet), prisvärda, billiga att tillverka, flexibla, har en försumbar miljöpåverkan, men energiutbytet når knappt en fjärdedel av konventionell kiselsolenergi. celler.. [22] [23] Polymersolceller lider också av en betydande nedbrytningseffekt: deras effektivitet reduceras av miljön. Bra skyddande beläggningar har ännu inte utvecklats.
Omfattningen av kommersiell konkurrens med kiselsolceller är fortfarande en öppen fråga. Även om polymerceller är relativt billiga att tillverka, har kiselsolcellsindustrin en viktig industriell fördel i att kunna använda den kiselinfrastruktur som utvecklats för datorindustrin. Solcellstillverkarna är dock i underläge då de måste konkurrera med den större datorindustrin om högkvalitativt kisel.
Effektivitet är fortfarande en utmaning för denna typ av teknik. Traditionella silikonbatterier uppnår en effektivitet på 20 % eller mer. Den högsta effektiviteten har uppnåtts för solpaneler som används för att driva rymdsatelliter. Sådana batterier uppvisar en verkningsgrad på upp till 40 %, vilket är dubbelt så högt som för "jorda" batterier.