НИИИТ
Научно-исследовательский институт инновационных технологий
Печатная электроника
Лаборатория печатной электроники
Генератор идей
Если у Вас есть идеи по
применению печатной электроники,
напишите нам об этом
Отправить
3 Марта 2016

Рентген показывает этапы производства пластиковой солнечной батареи

Пластиковые солнечные батареи легкие по весу, легко устанавливаются, их можно напечатать на принтере. Но процессы, происходящие на молекулярном уровне при печати таких батарей, пока не до конца изучены. Исследователи из Мюнхенского Технологического Университета (TUM) вели наблюдения за данными процессами в режиме реального времени, и эти исследования позволят повысить эффективность органических солнечных батарей.

Солнечные модули, которые устанавливают на крышах сегодня, выполнены на кремниевых полупроводниковых элементах. Они дорогостоящие, для крыш — тяжелы и не всегда вписываются в окружающую обстановку.

Органические солнечные батареи, состоящие из тех же молекул, что и пластиковые пакеты или пищевая пленка, являются хорошей альтернативой солнечным модулям. Органические солнечные батареи растворимы, поэтому могут быть нанесены с помощью принтера; они очень тонки и легки, поэтому могут без проблем устанавливаться в любом месте; могут быть выполнены в разном цвете и быть различной формы. Но органические солнечные батареи имеют значительный недостаток — их эффективность ещё далека от эффективности кремниевых солнечных элементов.

Процессы на наноуровне

Одним из ключевых параметров для повышения эффективности преобразования энергии гибкими солнечными батареями является расположение молекул компонентов в материале. Это важный параметр для преобразования энергии, поскольку в «классических» солнечных элементах требуется генерация свободных электронов. Для органических солнечных батарей необходимы два материала — испускающий электроны донорный и принимающий их акцепторный слои. Для преобразования света в электричество граница раздела между двумя этими слоями должна быть как можно больше. До сих пор не было известно, как молекулы выравниваются друг относительно друга во время печати и кристаллизуются во время роста при сушке. При этом молекулы активных элементов содержатся в чернилах для солнечных батарей, по аналогии с красящими пигментами в чернилах для обычного принтера.

«Для управления расположением компонентов мы должны знать, что происходит на молекулярном уровне во время сушки», — объясняет доктор Ева Херзиг (Eva M. Herzig) из Мюнхенской Школы Разработки (MSE) в TUM. Определение таких малых структур в теле сохнущей пленки при приемлемом временном разрешении — проблема в экспериментах.

Рентген позволяет понять процесс

Во время совместной работы Евы Херзиг и Штефана Преллера (Stephan Pröller) из Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли в США (Lawrence Berkley National Laboratory), аспирантом MSE, использовался рентген-аппарат для визуализации молекул и их поведения во время печати пластиковой пленки. Ему удалось определить разные фазы, образующиеся во время сушки.

В первую очередь испаряется растворитель, остальные материалы остаются. Это приводит к повышению концентрации молекул пластика в сухой пленке и началу кристаллизации доноров электронов. Одновременно с этим начинает формироваться акцептор. Быстрая кристаллизация приводит к тому, что структура акцепторного слоя формируется ближе к структуре донорного слоя. На данном этапе расстояние между двумя структурами определено и сильно влияет на эффективность конечного изделия. Для системного улучшения солнечных батарей этим этапом формирования требуется управлять. На последней стадии оптимизация может касаться конкретных материалов, например, оптимизации инкапсуляции кристаллов.

«Скорость изготовления также играет немаловажную роль», — говорит Преллер. Хотя данный образец изготовлен с применением быстрых процессов сушки, наполнитель и кристаллы влияют на формирование структуры таким образом, что меньшая скорость оказывается выгоднее для большей эффективности полученной в результате батареи.

Исследователи хотели бы использовать понимание процессов для контроля над расположением материалов за счет управления параметрами процесса. Эти наработки могут быть переданы в промышленность для оптимизации и увеличения эффективности производства органических солнечных батарей.

Источник: Мюнхенский Технический Университет