Журнал научно-производственного предприятия “ КВАНТ “ (стр. 8 )

 

ТП ФЭП на основе органических и гибридных  материалов

Среди разрабатываемых ТП ФЭП следующего поколения важное место занимают батареи, использующие органические и гибридные материалы [6]. Перспективными являются пластиковые солнечные батареи, в которых в качестве рабочих материалов используются смеси органических полупроводников p - и n-типов, хорошо растворимые в органических растворителях. Благодаря этому они могут наноситься методом печати на гибкие полимерные подложки. Эта технология разработана и находится на стадии коммерциализации у многих западных компаний.

Есть две основные конфигурации органических ФЭП: это батареи планарного типа, в которых фотоактивные компоненты наносятся отдельными слоями и батареи с объёмным гетеропереходом, в которых есть только один фотоактивный слой, представляющий смесь донора и акцептора (рис. 10).

В батареях обоих типов под действием света происходит фотоиндуцированный перенос электрона от донорного соединения к акцепторному. В слоистых ячейках этот процесс протекает на границе раздела слоев донора и акцептора. В батареях с  объёмным гетеропереходом  разделение зарядов происходит по всему объёму активного слоя батареи на чрезвычайно сильно развитой поверхности, разделяющей фазы донора и акцептора. Структуру объёмного гетероперехода  можно представить себе в виде двух взаимопроникающих трёхмерных сетей из донорных и акцепторных материалов в активном слое. После разделения зарядов электроны будут перемещаться к электроду в слое акцепторного материала (материала n-типа), а дырки − в слое донорного материала (p-типа).

  а)  б)

Существенный прогресс в создании эффективных ФЭП планарного типа достигнут при использовании фуллерена C60 в качестве акцепторного материала в солнечных батареях в комбинации с фталоцианинами металлов (MPc). Сообщается об эффективностях преобразования света 2,0 - 2,5 % для систем C60/MPc (M=Cu, Zn) по состоянию на конец 2012 г.

На сегодняшний день лучшими материалами для органических солнечных батарей типа объёмный гетеропереход  являются соединения фуллеренов (n-тип) и полисопряженные полимеры (p-тип).

В течение последних лет во всех модельных органических солнечных батареях использовалась система [60] РСВМ/MDMO–PPV, где [60] РСВМ — это циклопропановое производное C60, а MDMO–PPV — замещённый парафенилен-винилен (рис. 11). Максимальная эффективность преобразования света для этой системы составляет 2,5 – 2,6 % при оптимизации всех её параметров, что близко к теоретическому максимуму для системы [60] РСВМ/MDMO-PPV. Повышения плотности фототока ФЭП удалось добиться путём замены акцепторного материала на основе фуллерена C60 на аналогичное соединение C70 − РСВМ [70] с более широким спектром поглощения в видимой области, что позволило улучшить светопоглощение в активном слое батареи и увеличить КПД до 3,0 %.

Следующим шагом на пути развития органической фотоэнергетики стало использование региорегулярных поли(3-алкилтиофенов) в качестве донорных материалов, в частности, поли(3-гексилтиофена) (Р3НТ) [6], важным преимуществом которого является самоорганизация в плёнках при повышенных температурах с образованием так называемых ламинарных структур с очень  высокой подвижностью дырок до 10−2см2/Вс. Основным же преимуществом Р3НТ перед MDMO–PPV является более широкий спектр поглощения (почти до 700 нм) в плёнках, что позволяет достигать плотностей тока ФЭП до 11 - 12 мA/см2. Максимальная эффективность оптимизированных  устройств  на  основе  системы Р3НТ/РСВМ немного превышает 4,0 % (теоретический максимум ~ 4,5 %.

В последние годы большое внимание уделяется разработке солнечных батарей с использованием гибридных материалов на основе полупроводниковых нанокристаллов или коллоидных квантовых точек (ККТ), обладающих уникальными оптическими и электронными свойствами. Изменяя размер ККТ, можно изменять ширину запрещённой зоны оптимизируя поглощение солнечного излучения, а также контролировать перенос заряда через границу раздела. Кроме того, ККТ обладают высоким коэффициентом поглощения, высокой подвижностью носителей заряда, высокой фотостабильностью по сравнению с органическими хромофорами, а также могут быть приготовлены в больших количествах. Одним из преимуществ использования ККТ является то, что такие батареи могут быть изготовлены с помощью рулонных технологий (roll-to-roll).

       В настоящее время исследуются несколько разных конструкций солнечных батарей с использованием ККТ, в частности, гибридные солнечные батареи на основе объёмного гетероперехода «сопряжённый полимеp - ККТ, солнечные батареи на гетеропереходе полупроводник–полупроводник, когда в активном слое смешиваются два типа ККТ, и солнечные батареи на ФЭП, сенсибилизированных красителем, в которых ККТ выполняют роль спектрального сенсибилизатора [6 - 8].

Заключение

        Основные тенденции развития технологий, применения и рынка ФЭП показывают, что у них есть многообещающее будущее. Пока солнечная энергетика, по состоянию на начало 2013 г. в целом является отраслью, которую поддерживают государства развитых стран, компенсируя потребителям (по разным механизмам) более высокую стоимость «солнечного»  кВт·часа. Но уже в период 2013 - 2014 гг. во  многих районах мира (в первую очередь на юге Европы и США, а также в южных провинциях Японии и Китая) стоимость «солнечного» кВт∙часа уже сравняется со стоимостью традиционного значения этого параметра. Производителей стимулирует потенциально гигантский рынок солнечных батарей, в том числе устанавливаемых на крышах зданий. Растущий интерес к изделиям фотовольтаики для космонавтики, телекоммуникаций и портативных источников питания также является ключевым фактором развития отрасли в целом. Основные усилия исследователей сосредоточены на повышении эффективности фотоэлектрического преобразования, снижении стоимости материалов и производства, повышении надежности приборов, на внедрении новых тонкопленочных технологий вместе с развитием моно - и поликристаллических Si технологий, пока доминирующих на рынке.

       До 2012 г. рост изделий тонкопленочной фотоэнергетики составлял 40 % ежегодно. В силу невысокой стоимости производства ТП ФЭП считались лидерами низкой стоимости модулей по сравнению с кремниевыми пластинами. Несмотря на меньший КПД, в ряде конкретных случаев, строительство крупной солнечной станции оказывалось выгоднее производить из ТП ФЭП, чем из более эффективных, но и более дорогих c-Si ФЭП (табл. 1).

       В настоящее время промышленными являются 5 различных технологий ТП ФЭП: a-Si, a-Si/µc-Si  (аморфно-микроморфные), CdTe, CIGS, многокаскадные пре-образователи на основе соединений А3В5 на Ge-подложке. Органические ТП ФЭП в 2013 г. только вступают в стадию коммерциализации. Продлятся и усилятся тенденции увеличения эффективности промышленно освоенных ТП ФЭП (рис. 12).

Продолжится развитие направление, связанного с CdTe − по прогнозам оно останется лидером снижения стоимости и к 2017 г. достигнет себестоимости производства 0.48 $\Вт. По прогнозам, к 2017 г. CIGS достигнет себестоимости производства 0.50 $/Вт, практически сравнявшись по экономическим показателям с сегодняшним лидером – c-Si. CdTe и CIGS имеют хорошие перспективы, которые ограничены наличием используемых материалов – теллуром, индием, галлием [9, 14].

Однако, кризис перепроизводства (рис. 13, сплошная кривая) в солнечной индустрии, который начался в 2011 - 2012 гг. и продлится, как минимум, до 2016 г., заставил производителей c-Si ФЭП резко снизить производственные затраты. Основой для этого послужило значительное перепроизводство и резкое удешевление поликристаллического Si (рис. 13, пунктирная кривая). Производители Si-ФЭП (моно - и мульти) к 2016-2017 г. по прогнозам сравняются по удельным экономическим показателям производства с ТП ФЭП. При этом стоит отметить, что более низкая капиталоемкость производства ТП ФЭП остается их неизменным конкурентным преимуществом.

В связи с кризисом перепроизводства в солнечной энергетике, который особенно сильно проявился в области c-Si ФЭП, цены на них стали падать быстрее, чем ожидалось ранее (рис. 14). При этом достигнутый в промышленных масштабах высокий КПД c-Si ФЭП остается сильным конкурентным преимуществом этого класса ФЭП.

Представляется, что из изложенного можно сделать два вывода:

− в среднесрочной перспективе, как объемные ФЭП на основе c-Si, так и ТП ФЭП различных типов, останутся в равной мере «мэйнстримом» коммерческого развития солнечной энергетики, занимая каждый свою нишу без преимуществ одного из направлений. Однако в каждой «ветви» развития солнечной энергетики обострится процесс слияний, поглощений, выбывания наиболее неэффективных производителей.

- ТП ФЭП, видимо, смогут обрести ранее обещанное рядом аналитиков экономическое и технологическое преимущество не в ближнесрочной перспективе, а когда получит промышленное развитие ТП ФЭП следующего поколения: каскадные ТП ФЭП на основе твердых растворов Si-Ge, органические ТП ФЭП и пр. Дальнейшее развитие получат также каскадные ТП ФЭП на основе А3В5. Для повышения КПД и улучшения экономических показателей будут разработаны гетероструктуры нового поколения с использованием квантово-размерных слоев и новых материалов, как в активных областях, так и в коммутирующих их туннельных диодах. Прогнозы о росте КПД ФЭП основаны на возможности дальнейшего совершенствования их конструкции и улучшения качества полупроводникового слоя.  Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП будут применяться:

Рис. 13. Ожидаемое производство ФЭП (всех типов) и их возможная инсталляция  12].