Polymeeriset aurinkopaneelit ovat aurinkopaneeleja, jotka tuottavat sähköä auringonvalosta. Se on peräisin vuodelta 1992, jolloin ensimmäisen kerran julkaistiin tiedot varauksen siirtymisestä puolijohdepolymeeristä akseptoriin . [1] Suhteellisen uutta teknologiaa, jota tutkitaan aktiivisesti yliopistoissa, kansallisissa laboratorioissa ja useissa yrityksissä ympäri maailmaa. Esitellään prototyyppilaitteita, joiden energian muunnostehokkuus on 17,4 %. [2]
Polymeeriset aurinkokennot ovat yleensä ohuita kalvoja polymeerimateriaaleista , jotka on asetettu päällekkäin kerroksina , jotka suorittavat erilaisia toimintoja. [3] Substraatista riippuen yhden akun paksuus voi olla 500 nanometristä alkaen. [4] Joten läpinäkyvälle polymeeripohjalle (substraatille), joka on päällystetty johtavalla indium-tinaoksidikerroksella , joka toimii elektrodina , levitetään fotoaktiivinen kerros, joka koostuu elektronin vastaanottajasta ja elektronin luovuttajasta . [5]
Fotoaktiivisia kerroksia on kahdenlaisia:
Fotoaktiivisen kerroksen päällä on metallielektrodi , kalsiumia , alumiinia tai hopeaa akun arkkitehtuurista riippuen. Nykyaikaisissa näytteissä fotoaktiivisen kerroksen ja elektrodien väliin sijoitetaan lisäkerroksia: elektroneja johtavat tai aukkoa johtavat , tai vastaavasti elektroneja estävät ja aukot estävät. Näiden kerrosten sijainti suhteessa fotoaktiiviseen kerrokseen määräytyy akun arkkitehtuurin mukaan. [kahdeksan]
Akkuarkkitehtuuria on kahdenlaisia: suora (vakio) tai käänteinen (käänteinen). Käänteisessä, kuten nimestä voi päätellä, sähkövaraukset poistetaan vastakkaisilla elektrodeilla. Joten tutkimukset ovat osoittaneet, että standardiarkkitehtuurilla olevilla akuilla on korkeampi hyötysuhde kuin käänteisillä, mutta stabiilisuus on alhaisempi.
Alhainen stabiilisuus johtuu siitä, että standardiakut käyttävät elektrodina kalsiumia , joka hapettuu ilmassa nopeasti kalsiumoksidiksi , jonka johtavuus on huono . Käänteinen arkkitehtuuri puolestaan mahdollistaa hopean ja kullan käytön elektrodeina , jotka kestävät paremmin hapettumista. [9]
Elektronien erottamisen parantamiseksi käännetyissä akuissa käytetään usein läpinäkyviä johtavia oksideja, kuten titaanioksidia ja sinkkioksidia , usein nanohiukkasten tai nanorakenteisten kalvojen muodossa. Viime aikoina on kiinnitetty enemmän huomiota tutkimuksiin muista kerroksista, jotka voivat parantaa elektronin uuttamista, mukaan lukien polymeerikerrokset.
Reiän poistamisen parantamiseksi käytetään läpinäkyviä johtavia polymeerejä , kuten poly(3,4-etyleenidioksitiofeeni) ja polystyreenisulfonaatin seosta (PEDOT:PSS) tai muita johtavia oksideja, joilla on sopivammat elektroniset tasot, kuten vanadiinioksidi , molybdeenioksidi . Viime aikoina grafeeniin ja grafeenioksidiin perustuvat puolijohteet ovat herättäneet yhä enemmän kiinnostusta.
Polymeeriaurinkokennoissa fotoaktiivinen kerros koostuu kahden tyyppisistä materiaaleista: luovuttajasta ja vastaanottajasta . Kun valo osuu akun pintaan, luovuttaja (yleensä konjugoitu polymeeri ) absorboi valon fotonin . Tämän fotonin aallonpituus (eli energia) riippuu suoraan luovuttajan kemiallisesta rakenteesta ja sen organisaatiosta kerroskalvossa (esimerkiksi kiteisyydestä). Absorboitunut fotonienergia virittää elektronin perustilasta virittyneeseen tilaan tai korkeimmalta varatulta molekyyliradalta ( englanniksi HOMO) alimmalle vapaalle molekyyliradalle (englanniksi LUMO). [kymmenen]
Tällaisesta virityksestä syntyvää kvasihiukkasta kutsutaan Frenkel- eksitoniksi ja se koostuu reiästä (eli elektronin puuttuminen, positiivinen varaus ) ja viritetystä elektronista (negatiivinen varaus ). [11] Eksitonilla ei ole varausta eikä se voi toimia kantajana, mutta se voi liikkua konjugoidun luovuttajajärjestelmän läpi. Spin - tilasta riippuen eksitonit voivat olla singlettejä tai triplettejä . Yksittäisen eksitonin elinikä on nanosekuntia ja triplettieksitonin noin millisekunti tai enemmän. Tietyissä olosuhteissa singlettieksitoni voi muuttua tripletiksi. [12]
Eksitoni liikkuu luovuttajajärjestelmässä enintään 5-20 nm polymeerityypistä riippuen. Siinä on sitten kaksi vaihtoehtoa:
Polymeeriaurinkokennoissa jälkimmäinen polku edustaa tehokkuuden menetystä: vain eksitonit ovat tärkeitä , jotka voivat dissosioitua. Reiän ja elektronin konjugaatioenergia eksitonissa polymeerijärjestelmissä on erittäin korkea, noin 0,5-1 eV , ja siksi huoneenlämpötilassa termodynaaminen komponentti ei riitä jakamaan eksitonin varauksiksi . [13] Siksi kaksi näkökohtaa ovat tärkeitä eksitonien erottamiselle: järjestyksen puuttuminen järjestelmästä (englanniksi häiriö) ja toisen komponentin, vastaanottajan, läsnäolo.
Akseptorin alimmalla vapaalla molekyyliradalla on oltava pienempi energia eksitonin dissosioitumisen käynnistämiseksi ja elektronin siirtymisen helpottamiseksi akseptorimolekyyleihin. Esimerkiksi eksitonidissosiaatio tapahtuu kahden faasin rajapinnassa: luovuttajan ja akseptorin; siksi eksitonidissosiaation tehokkuus on paljon korkeampi järjestelmissä, joissa on sekafaasia. [14] Kahden vaiheen rajojen, ns. rajapinnan, laatu määrää suurelta osin akun hyötysuhteen, erityisesti syntyneen virran voimakkuuden . Kun eksitoni dissosioituu, elektroni siirtyy vastaanottajalle ja reikä jää luovuttajafaasiin.
Dissosioitumisen jälkeen reikä ja elektroni eivät kuitenkaan ole erillisiä varauksia. Ne sijaitsevat vaiheen rajalla sidotussa tilassa ns. siirtymäkompleksin tai varauksensiirtokompleksin muodossa , joka koostuu elektronista ja reiästä, jotka ovat edelleen yhteydessä toisiinsa, mutta pienemmällä energialla kuin eksitonissa. [15] Tällainen kompleksi voi joko erottua kokonaan sisäisen kentän vaikutuksesta (joka määräytyy luovuttajan ja vastaanottajan energiatasojen erosta) tai yhdistyä uudelleen (yhdistyä elektroniksi maanpinnan tasolla vapauttamatta energiaa säteilyn vaikutuksesta ). [16] Tällaista rekombinaatiota kutsutaan geminaatiksi, koska molemmilla rekombinaatiopartnereilla on yhteinen alkuperä (samasta eksitonista).
Jos elektroni ja reikä onnistuivat eroamaan, ne siirtyvät elektrodeille , missä ne irrotetaan vastaavilla elektrodeilla. Elektroni liikkuu akseptorivaiheessa katodille ja reikä luovuttajavaiheessa anodille . Jos yksittäiset varaukset matkallaan kohtaavat vastakkaisen varauksen, joka ei jostain syystä päässyt elektrodille, niin ne myös yhdistyvät uudelleen. [17] Tällaista rekombinaatiota kutsutaan ei-kaksoisiksi, koska rekombinoituvalla elektronilla ja aukolla on eri alkuperä (eri eksitoneista). Varausten rekombinaatio on yksi aurinkokennojen tehokkuutta rajoittavista tekijöistä, koska rekombinoituneita varauksia ei voida erottaa. [kahdeksantoista]
Koska onnistuneen varauksen kuljetuksen kannalta jokaisen vaiheen tulee olla jatkuva läpi koko fotoaktiivisen kerroksen, jotta varaus saavuttaa esteettä elektrodit, paras uutto havaitaan akuissa, joissa vastaanottajakerros kerrostuu luovuttajakerrokselle ilman sekoittumista. Kuitenkin eksitonien dissosiaatiossa tämä lähestymistapa on tehoton pienen vaiheen rajan vuoksi.
Siten fotoaktiivisen kerroksen optimaalinen morfologia on kompromissi elektronien kuljetuksen ja eksitonidissosiaation välillä vaiheen rajalla. Optimaalinen kerrosmorfologia riippuu useista tekijöistä: luovuttajan ja vastaanottajan kemiallisesta rakenteesta, niiden lämpöominaisuuksista, lämpötilasta ja liuottimesta sekä kerroksen valmistusmenetelmästä. [19] [20] [21]
Verrattuna silikoniteknologiaan perustuviin laitteisiin polymeeriaurinkokennot ovat kevyitä (tärkeitä pienille off-grid-antureille), edullisia, edullisia valmistaa, joustavia, niiden ympäristövaikutus on mitätön, mutta energian tuotto yltää tuskin neljännekseen perinteisestä piiaurinkoenergiasta. solut. [22] [23] Polymeeriaurinkokennot kärsivät myös merkittävästä hajoamisvaikutuksesta: ympäristö alentaa niiden tehokkuutta. Hyviä suojapinnoitteita ei ole vielä kehitetty.
Kaupallisen kilpailun laajuus piiaurinkokennojen kanssa on edelleen avoin kysymys. Vaikka polymeerikennot ovat suhteellisen halpoja valmistaa, piiaurinkokennoteollisuudella on tärkeä teollinen etu, koska se pystyy hyödyntämään tietokoneteollisuudelle kehitettyä piiinfrastruktuuria. Aurinkokennojen valmistajat ovat kuitenkin epäedullisessa asemassa, koska niiden on kilpailtava suuremman tietokoneteollisuuden kanssa korkealaatuisesta piistä.
Tehokkuus on edelleen haaste tämäntyyppiselle tekniikalle. Perinteiset silikoniakut saavuttavat 20 % tai enemmän hyötysuhteen. Korkein hyötysuhde on saavutettu aurinkopaneeleilla, joita käytetään avaruussatelliittien virtalähteenä. Tällaisten akkujen hyötysuhde on jopa 40 %, mikä on vastaavasti kaksi kertaa niin korkea kuin "maadoitettujen" akkujen teho.