«Солнечная энергия – это самая дешевая форма энергии, которую человечество когда-либо производило со времен промышленной революции», – сказал Стивен Форрест, эксперт Питера А. Заслуженный профессор электротехники Университета Франкена, который руководил исследованием. "С этими устройствами, установленными на окнах, ваше здание превратится в электростанцию."
Хотя кремний остается королем эффективности солнечных панелей, он непрозрачен. Для солнечных панелей, подходящих для окон, исследователи изучают органические или углеродные материалы. Задача команды Форреста заключалась в том, как предотвратить быстрое разложение очень эффективных органических светопреобразователей во время использования.
Сила и слабость этих материалов заключаются в молекулах, которые переносят фотогенерированные электроны на электроды, вход указывает на цепь, которая либо использует, либо накапливает солнечную энергию. Эти материалы обычно известны как «нефуллереновые акцепторы», чтобы отличать их от более надежных, но менее эффективных «фуллереновых акцепторов», сделанных из углеродной сетки нанометрового размера. Солнечные элементы, изготовленные из нефуллереновых акцепторов, содержащих серу, могут достигать эффективности 18%, сопоставимой с кремнием, но они не служат так долго.
Команда, в которую вошли исследователи из Государственного университета Северной Каролины, Тяньцзиньского университета и Чжэцзянского университета в Китае, намеревалась изменить эту ситуацию.
В своих экспериментах они показали, что без защиты материала, преобразующего солнечный свет, эффективность упала до менее 40% от исходного значения в течение 12 недель при эквиваленте одного солнечного света.
«Нефуллереновые акцепторы обладают очень высокой эффективностью, но содержат слабые связи, которые легко диссоциируют под действием фотонов высокой энергии, особенно УФ [ультрафиолетовых] фотонов, обычных для солнечного света», – сказал Юнси Ли, младший научный сотрудник UM в области электротехники и информатики и первый автор статьи в Nature Communications.
Изучая природу деградации этих незащищенных солнечных элементов, команда пришла к выводу, что они нуждаются в подкреплении только в нескольких местах. Во-первых, им нужно заблокировать ультрафиолетовый свет.
Для этого они добавили слой оксида цинка – распространенного солнцезащитного ингредиента – на обращенной к солнцу стороне стекла.
Более тонкий слой оксида цинка рядом с областью поглощения света помогает проводить генерируемые солнечной энергией электроны к электроду. К сожалению, он также ломает хрупкий поглотитель света, поэтому команда добавила слой материала на основе углерода под названием IC-SAM в качестве буфера.
Кроме того, электрод, который втягивает в цепь положительно заряженные «дыры» – по существу, пространства, освобожденные электронами, – также может реагировать с поглотителем света.
Чтобы защитить этот фланг, они добавили еще один буферный слой, на этот раз из фуллерена в форме футбольного мяча.
Затем команда проверила свою новую защиту при различной интенсивности симулированного солнечного света, от типичного 1-го солнца до света 27-ми солнц и температурах до 150 градусов по Фаренгейту. Изучая, как производительность ухудшалась в этих условиях, команда экстраполировала, что солнечные элементы по-прежнему будут работать с эффективностью 80% через 30 лет.
Форрест видит будущее этих устройств "в окне рядом с вами.«Его команда уже увеличила прозрачность модуля до 40%. Они считают, что могут приблизиться к 60% прозрачности.
Они также работают над повышением эффективности с 10%, достигнутых в заявленных полупрозрачных модулях, ближе к 15%, которые считаются возможными при высокой прозрачности. Поскольку материалы могут быть приготовлены в жидком виде, ожидается, что производственные затраты будут относительно низкими.
Часть исследований проводилась на производственном предприятии U-M Lurie Nanofabrication. Форрест также является Полом Г. Гебель профессор инженерии.
Он профессор электротехники и информатики, физики, материаловедения и инженерии.
Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований и США.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики.
Universal Display Corp. имеет лицензию на работу.