Органічні сонячні батареї
У ХХІ столітті людство зіткнулося з проблемою виснаження органічних джерел палива. У майбутньому ресурс таких копалин як нафта, вугілля, газ буде вичерпано, тому актуальним є питання отримання енергії з альтернативних джерел.
У перспективі з усіх доступних джерел одним із найємніших буде енергія Сонця, що надходить на поверхню Землі у величезній кількості, що у багато разів перевищує глобальні потреби людства. Для її поглинання використовують сонячні батареї, встановлені на дахах будівель.
Сонячна батарея складається з фотоелементів, з'єднаних послідовно та паралельно, таким чином вони є основою конструкції. Фотоелементи зазвичай оцінюють за трьома основними параметрами: ефективність або ККД, термін служби та вартість. Баланс цих показників визначає місце над ринком.
На даний момент ми знаходимося в ситуації домінування кремнієвої фотовольтаїки (сонячні батареї з фотоелементами із кристалічного або аморфного кремнію). У зв'язку з цим нині сонячну енергію перетворюють з допомогою неорганічних сонячних батарей, переважно кремнієвих . Їхня ефективність близько 15%, термін служби близько 30 років. Однак вартість кремнієвих сонячних батарей визначається високою собівартістю їх виробництва, монтажу та обслуговування. Це призводить до того, що більшість людей не можуть дозволити собі розмістити їх у себе на даху.
Більше того, вартість електроенергії, яка отримується за допомогою таких батарей, на сьогоднішній день не дуже конкурентоспроможна. Це пов'язано насамперед із вартістю технологій обробки та отримання кремнію. Тому потрібні нові типи сонячних батарей, які були б дешевшими і дозволили б використовувати ресурс енергії сонця в більшому масштабі, ніж зараз.
Тому погляд природним чином впав на органічні сонячні елементи – елементи, що застосовують органічні, провідні полімери для збирання енергії від Сонця. Полімери коштують відносно недорого, а самі плівки-фотоелементи можна буде друкувати на принтерах із пристойною швидкістю та за рік покривати велику площу. Таким чином, органічна фотовольтаїка вимагає малих витрат і легко масштабується.
Органічні напівпровідники є перспективним елементом для створення сонячних батарей, оскільки їх можна виготовляти у вигляді великих пластикових листів. Однак їх недоліком завжди вважався низький коефіцієнт перетворення світлової енергії на електричну.
Коли напівпровідний матеріал поглинає фотони, утворюються ексітони - водневі квазічастинки. Ексітони є електронне збудження в діелектриці або напівпровіднику, що мігрує по кристалу і не пов'язане з перенесенням електричного заряду і маси. Екситон може бути представлений у вигляді пов'язаного стану електрона провідності та дірки, розташованих в одному вузлі кристалічних ґрат. Ексітони створюють фотонапругу при ударі об межу або вузол ґрат. Якщо ексітони переміщуються тільки на дистанцію в 20 нм, лише ті, що знаходяться близько до вузлів, можуть створювати напругу, що пояснює низьку ефективність сучасних органічних сонячних елементів.
Частково компенсувати ці негативні чинники дозволяє зменшення товщини активного шару до 50 нм, що знижує ефективність поглинання світла, тобто. не дозволяє значно підвищити загальну ефективність.
Одне з можливих рішень, що дозволяють збільшити поглинання світла в надтонких активних шарах застосування металевих наночастинок. Через велике електромагнітне поле в безпосереднійблизькості таких наночастинок збільшується ймовірність дисоціації екситонів на електрон та дірку провідності. Крім того, збільшується частка поглинених фотонів за рахунок розсіювання. Оскільки оптичні властивості наночастинок значною мірою залежать від їх розміру, існує можливість "налаштувати" максимум поглинання такого осередку в різні області електромагнітного спектру.
Таким чином, можна виділити плюси застосування органічних сонячних батарей:
- Енергоефективність, що полягає в енергозбереженні та економії витрат на оплату енергії;
- зниження шкідливих впливів на здоров'я людей, які перебувають у будинках із сонячними батареями;
- Збереження природних ресурсів за рахунок активного використання енергії Сонця.
В даний час багато дослідників працюють над підвищенням наступних можливостей сонячних панелей: підвищення їх міцності, часу використання та їх ефективності.
Є можливість побудувати органічні сонячні елементи з прозорістю, яка практично не відрізняється від прозорості звичайного скла, і такими ж ефективними, як непрозорі пластикові осередки. Зробити це можна шляхом включення фотонного кристала всередину панелі, що дозволить збільшити кількість інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання поглинається панеллю. Таким чином, панелі можуть бути використані на викривленій поверхні і в той же час є майже прозорими і їх колір можна буде змінити шляхом зміни конфігурації фотонного кристала.
Один з найбільш обіцяючих напрямків включає використання поліпшених органічних плазмових фотоелектричних матеріалів. Ці пристрої незрівнянні з традиційними сонячними панелями у питанні виробництва електрики, але вони дешевші і, завдяки їхній рідкійформі, можуть бути нанесені на різні поверхні.
Таким чином, використання сонячних батарей органічного походження відкриває можливість часткового або повного заміщення невідновлюваних енергоносіїв, які забезпечуватимуть харчування різних систем будівлі, дозволяє суттєво заощадити та знизити шкідливий вплив на навколишнє середовище. Саме тому ця технологія актуальна у будівництві.