Подобно традиционной кремниевой солнечной технологии, OSC превращают солнечную энергию в полезную электроэнергию. Но они гораздо более универсальны, чем обычные солнечные фотоэлектрические устройства. Осциллографы легкие и гибкие, могут быть полупрозрачными или разных цветов. Эти качества делают их потенциальными приложениями для солнечных элементов, интегрированных в текстиль, транспортные средства и здания, а также для создания энергии в тех областях, где их нет.

Уникальные приложения

Хотя для вывода ОСЭ на коммерческий рынок необходимы дополнительное финансирование и исследования, эксперты соглашаются, что они будут играть важную роль в будущем солнечных технологий. Тем не менее, они не будут заменять кремниевые солнечные элементы и конкурировать с ними. «Мы не должны ожидать появления обширных областей OSC, подобных тем, которые генерируют гигаватты энергии на кремниевых солнечных фермах», - говорит Сет Мардер, профессор химии Технологического института Джорджии. Кремниевая солнечная энергия подходит для производства крупномасштабной солнечной энергии, в то время как OSC обладают другими уникальными достоинствами, которые определяют их применение в реальных условиях. 

Две уникальные особенности OSC - их тонкость и гибкость. В то время как толщина типичного кремниевого солнечного элемента примерно равна средней ширине человеческого волоса, большинство OSC примерно в тысячу раз тоньше. Из-за своей тонкости и гибкости OSC можно изготавливать на изогнутых поверхностях и гибких основах. Например, их можно залатать или интегрировать в ткань палаток, рюкзаков и даже одежды. Большинство этих продуктов все еще находятся в стадии разработки и занимают нишу на рынке, но они демонстрируют инновационный творческий потенциал, который обеспечивают OSC. Благодаря технологии OSC возможности использования солнечных элементов были значительно расширены за пределы крыш и солнечных ферм.

Осциллографы также могут быть прозрачными, полупрозрачными или в различных цветах. В результате появляется множество потенциальных приложений для архитектурного использования. Например, прозрачные OSC могут быть встроены в окна для выработки энергии солнечного света, которая в противном случае могла бы согреть комнату и способствовать более высоким расходам на кондиционирование воздуха. Фрэнки Со, профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина, предлагает еще одно применение: OSC можно использовать в люках на крыше для питания электрических и гибридных транспортных средств.

Кроме того, низкие первоначальные инвестиции и потенциально низкие затраты на доставку продукции делают технологию OSC доступной для сообществ в развивающихся странах, у которых нет доступа к электрической сети и финансовых средств для ее создания. OSC обладают уникальной способностью «приносить энергию туда, где ее нет», - объясняет Малика Джеффрис-ЭЛ, доцент химии Бостонского университета. В этих случаях технология OSC могла бы обеспечивать необходимое электричество в меньших количествах, необходимых для таких задач, как освещение, зарядка сотовых телефонов и охлаждение лекарств и вакцин.

Еще одним преимуществом OSC является то, что они менее энергоемки в производстве, чем кремниевые солнечные элементы. Для производства кремния высокой чистоты для кремниевых солнечных элементов необходимы чрезвычайно горячие печи - до 1,500 ° C (2,700 ° F). Для сравнения, крупномасштабные OSC можно изготавливать, просто печатая слои ячейки на основе в процессе, аналогичном тому, который используется для печати газет. Поскольку этот процесс потребляет меньше энергии, ОСЭ имеют значительно меньшее время окупаемости энергии, чем кремниевые элементы. Другими словами, OSC требуется меньше времени для выработки энергии, необходимой для их производства.

Как работает?

Первый органический солнечный элемент был разработан в 1958 году, но только в 2000-х годах ОСЗ значительно повысили эффективность. Эта улучшенная технология OSC возникла в области органических светодиодов, широко известных как OLED. Технология OLED используется сегодня на рынке многих телевизоров и экранов телефонов. В OLED-экране слой органических молекул (молекул, состоящих в основном из атомов углерода и водорода) излучает свет при приложении электрического тока. ОСЭ работают по существу противоположным образом - слой органических молекул генерирует электрический ток при воздействии света.

Органический солнечный элемент состоит из нескольких слоев материалов, один из которых является акцепторным. Когда солнечный свет попадает на ячейку, электрон высвобождается из слоя органических молекул, и задача акцептора - передать этот электрон на электрод. Этот процесс вызывает накопление заряда, который производит электричество.

Традиционно наиболее часто используемыми акцепторами в ОСЗ были материалы на основе фуллерена - молекулы, состоящей из 60 атомов углерода, объединенных в структуру, напоминающую футбольный мяч. Однако с акцепторами фуллерена эффективность OSC была ограничена примерно 10%. Другими словами, только 10% солнечного света, попадающего на солнечную батарею, было преобразовано в электричество. Поэтому исследователи решили изучить новые типы акцепторных слоев как средство повышения эффективности OSC.

Прорывом, позволившим OSC достичь более высокой эффективности, стала разработка нефуллереновых акцепторов (NFA). С NFA эффективность OSC резко возросла - до 18% всего за несколько лет. Это привело к тому, что OSCs оказались на нижнем уровне КПД от 18% до 22% среднего коммерчески доступного кремниевого солнечного элемента. Такой скачок эффективности превзошел ожидания многих экспертов, некоторые из которых начали работать в полевых условиях, когда эффективность OSC колебалась около 3%. «Если бы 10 лет назад вы сказали мне, что у нас будут органические солнечные элементы с эффективностью 18%, я бы посмеялся», - говорит Мардер.  

Преодолеть препятствия

Еще предстоит проделать большую работу, прежде чем OSC могут выйти на широкий рынок. Одна из самых больших проблем - это растворители, используемые в производственном процессе. Большинство наиболее эффективных ОСК изготавливаются с использованием хлорированных растворителей, которые представляют опасность как для здоровья, так и для окружающей среды. «При расширении производства OSC необходимо учитывать уязвимость людей, которые будут работать на производственных предприятиях», - говорит Бернард Киппелен, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Технологическом институте Джорджии. На сегодняшний день исследования в основном сосредоточены на достижении все более высокой эффективности, но, как говорит Киппелен, «нам нужен подход, выходящий далеко за рамки простого числа». Чтобы сделать OSC жизнеспособной технологией, необходимо оптимизировать производственный процесс, чтобы сделать его более безопасным и рентабельным.

Еще одним препятствием для массового производства OSC является разница между эффективностью отдельных ячеек, протестированных в идеальных лабораторных условиях, и эффективностью, которая была продемонстрирована для более крупных модулей. Отдельные ячейки могут иметь высокую эффективность, но сборка нескольких ячеек в модули, панели или массивы требует дополнительных электрических соединений, которые снизят эффективность. Однако, как указывает Киппелен, такого рода диспропорции ожидаются. «Пройдет некоторое время, прежде чем повышение эффективности ячеек отразится на эффективности модулей, сходящих с производственных линий», - говорит он. «То же самое можно сказать и о кремниевых солнечных элементах».

Еще одна проблема - финансирование исследований OSC. В Соединенных Штатах большая часть финансирования исследований солнечных элементов поступает от государственных учреждений, таких как Министерство энергетики. Однако, по словам Киппелена, «многие источники финансирования иссякли, чтобы проводить исследования по OSC» из-за появления быстро расширяющегося класса солнечных элементов, называемых перовскитами. «Было много ажиотажа вокруг использования перовскитов, потому что их эффективность в некоторых случаях даже выше, чем у кремния», - говорит Киппелен. Однако даже несмотря на то, что финансирование OSC в США сократилось, Китай продолжает возглавлять исследования и разработки OSC. «Объем работы [по исследованию OSC] в Соединенных Штатах составляет крошечную долю от объема работы в Китае», - говорит Мардер. «Люди в Китае полностью кричат ​​по этому поводу». 

Причины оптимизма

В будущем мировое потребление энергии будет продолжать расти, особенно по мере того, как развивающиеся страны стремятся получить те же преимущества производства энергии по запросу, которые имеют развитые страны. Такие исследователи, как Marder, Kippelen, Jeffries-EL и So say OSC, могут сыграть уникальную и важную роль в глобальном переходе к возобновляемым источникам энергии. Недавнее увеличение эффективности OSC до 18% заставило многих исследователей работать над развитием этой технологии, и теперь ученые изучают тандемные OSC (в которых используются два разных материала, которые поглощают разные длины волн солнечного света), чтобы улавливать еще больше энергии. Некоторые надеются, что эта разработка может еще больше повысить эффективность OSC - до 20%.

Киппелен призывает к долгосрочному взгляду на технологию OSC. «Солнечные технологии будут существовать еще долго, - говорит он, - и я искренне верю, что OSC со временем утвердится в качестве действительно важной технологии».

Об авторе

 Келли Штеллмах - аспирант, которая защищает докторскую диссертацию. по химии в Технологическом университете Джорджии. Она увлечена разработкой новых органических материалов для решения проблем окружающей среды и устойчивого развития. Ее текущие исследования сосредоточены на синтезе полимеров с низкими температурами до потолка с потенциальным применением в качестве материалов, пригодных для вторичной переработки.

Книги по этой теме

Просадка: самый всеобъемлющий план, когда-либо предлагаемый для обратного глобального потепления

Пол Хокен и Том Стейер
Перед лицом широко распространенного страха и апатии международная коалиция исследователей, специалистов и ученых объединилась, чтобы предложить ряд реалистичных и смелых решений проблемы изменения климата. Здесь описаны сто методов и практик, некоторые из них хорошо известны; некоторые, о которых вы, возможно, никогда не слышали. Они варьируются от чистой энергии до обучения девочек в странах с низким уровнем дохода и практики землепользования, которая выбрасывает углерод из воздуха. Решения существуют, являются экономически жизнеспособными, и сообщества во всем мире в настоящее время принимают их с умением и решительностью. Доступно на Amazon

Проектирование климатических решений: руководство по политике для низкоуглеродной энергетики

Хэл Харви, Робби Орвис, Джеффри Риссман
Поскольку последствия изменения климата уже сказываются на нас, необходимость сокращения глобальных выбросов парниковых газов является не менее чем насущной. Это непростая задача, но технологии и стратегии для ее решения существуют сегодня. Небольшой набор энергетических политик, хорошо продуманных и реализованных, может направить нас на путь к низкоуглеродному будущему. Энергетические системы большие и сложные, поэтому энергетическая политика должна быть целенаправленной и рентабельной. Универсальные подходы просто не помогут. Директивным органам нужен четкий и всеобъемлющий ресурс, в котором излагается энергетическая политика, которая окажет наибольшее влияние на наше климатическое будущее, и описывается, как ее правильно разрабатывать. Доступно на Amazon

Это меняет все: Капитализм против Климатологической

Наоми Кляйн
In Это изменяет все Наоми Кляйн утверждает, что изменение климата - это не просто еще одна проблема, которую нужно аккуратно поставить между налогами и здравоохранением. Это тревога, которая призывает нас к налаживанию экономической системы, которая уже во многих отношениях подводит нас. Кляйн тщательно выверяет аргументы в пользу того, что массовое сокращение выбросов парниковых газов - это наш лучший шанс одновременно сократить неравенство, изменить наши разрушенные демократии и восстановить разрушенную местную экономику. Она разоблачает идеологическое отчаяние отрицателей изменения климата, мессианские заблуждения потенциальных геоинженеров и трагический пораженчество слишком многих основных зеленых инициатив. И она наглядно демонстрирует, почему рынок не смог - и не может - исправить климатический кризис, а вместо этого усугубит ситуацию, применяя все более экстремальные и экологически разрушительные методы добычи, сопровождаемые безудержным капитализмом бедствий. Доступно на Amazon

От издателя:
Покупки на Amazon идут, чтобы покрыть стоимость привлечения вас InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, и ClimateImpactNews.com бесплатно и без рекламодателей, которые отслеживают ваши привычки просмотра. Даже если вы нажмете на ссылку, но не купите эти выбранные продукты, все остальное, что вы купите в этом же посещении Amazon, платит нам небольшую комиссию. Никаких дополнительных затрат для вас нет, поэтому, пожалуйста, внесите свой вклад. Вы также можете пройдите по этой ссылке использовать в Amazon в любое время, чтобы вы могли помочь поддержать наши усилия.

 

Эта статья первоначально появилась на Ensia