Okna produkujące prąd coraz bliżej rynku. Naukowcy rozwiązali kluczowy problem

Naukowcy z Fraunhofer ISE i Uniwersytetu we Fryburgu pokazali, że organiczną fotowoltaikę można przenieść na większą powierzchnię bez dużej utraty parametrów, wykorzystując procesy nadające się do skalowania przemysłowego.

Półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne mogą w przyszłości produkować energię w miejscach, w których zastosowanie tradycyjnych, nieprzezroczystych paneli jest mocno ograniczone – m.in. w fasadach, oknach czy szklarniach.

Półprzezroczysta fotowoltaika organiczna, określana jako STOPV (ang. semitransparent organic photovoltaic), ma szczególną przewagę wynikającą z właściwości organicznych półprzewodników. Mogą one silnie pochłaniać promieniowanie w bliskiej podczerwieni, pozostając jednocześnie częściowo przezroczyste dla światła widzialnego. Dzięki temu produkcja energii i transmisja światła mogą zachodzić na tej samej powierzchni, bez konieczności tworzenia nieaktywnych przestrzeni pomiędzy fragmentami ogniwa.

REKLAMA

REKLAMA

Jednym z największych wyzwań pozostawało jednak przeniesienie dobrych wyników uzyskiwanych na niewielkich ogniwach laboratoryjnych do większych modułów bez znaczącego pogorszenia ich parametrów.

Ponad 200 cm2 i niewielka strata parametrów

Badacze wykonali moduły o powierzchni apertury (uwzględnianej przy pomiarze ich parametrów) 210,25 cm2, składające się ze 116 monolitycznie połączonych pasm ogniw. Najlepszy z nich osiągnął sprawność konwersji energii (ang. power conversion efficiency, PCE) ma poziomie 9,26 proc., przy średniej transmisji światła widzialnego (average visible transmittance, AVT) wynoszącej 43,2 proc. W rezultacie współczynnik LUE (ang. light utilization efficiency; LUE = AVT × PCE), łączący sprawność konwersji z przepuszczalnością światła widzialnego, wyniósł ~4,0 proc.

Według autorów pracy jest to wyjątkowo wysoki wynik dla półprzezroczystych modułów organicznych tej wielkości. Najlepsze parametry uzyskano przy warstwie fotoaktywnej o grubości zaledwie 60 nm.

W pracy naukowej, badacze zwracają szczególną uwagę na sposób produkcji. Elektrodę odbijającą promieniowanie w bliskiej podczerwieni nanoszono metodą sputteringu (nie opisano na czym ta metoda dokładnie polega. W sieci pojawiają się odniesienia do napylania katodowego), natomiast pozostałe warstwy wykonywano metodą slot-die coating.

REKLAMA

REKLAMA

REKLAMA

Są to procesy możliwe do skalowania na większe powierzchnie. Slot-die coating można ponadto wykorzystać w ciągłej produkcji roll-to-roll, w której kolejne warstwy nanoszone są na przesuwające się elastyczne podłoże (ta metoda jest już stosowana w przemyśle).

Elastyczna wersja również zdała test

Badacze przenieśli podobną architekturę także na elastyczne podłoża. Mniejsze elastyczne ogniwa osiągnęły średnio 7,9 proc. sprawności, przy transmisji światła wynoszącej 52,1 proc. i LUE na poziomie 4,1 proc. Elastyczne moduły poddano następnie próbom mechanicznym. Po około 1275 cyklach zginania wokół pręta o średnicy 15 mm zachowały one początkową sprawność, pokazując dużą odporność konstrukcji na wielokrotne odkształcenia.

Fraunhofer wskazuje, że półprzezroczysta fotowoltaika organiczna może w przyszłości znaleźć zastosowanie m.in. w fasadach i oknach budynków, szklarniach oraz dachach samochodów. W zastosowaniach wymagających większej ilości światła kolejnym celem będzie dalsze zwiększenie przezroczystości bez pogarszania sprawności.

Więcej na temat wyników badań, można przeczytać w artykule: „Toward scalable semitransparent organic photovoltaics: Slot-die-coated 210-cm2 modules with visible transmission of up to 50% and LUE up to 4%” opublikowanym w czasopiśmie Joule.