Новые результаты исследований, представленные международной группой во главе с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), показывают, что «золотая середина» для массового производства полимерных солнечных элементов — заманчивая перспектива на протяжении десятилетий — может быть намного больше, чем диктуется общепринятое мнение. В экспериментах с использованием макета крупносерийного метода обработки с рулона на рулон исследователи создали солнечные элементы на полимерной основе с «эффективностью преобразования энергии» выше 9,5 процента, что чуть ниже минимальной коммерческой цели в 10 процентов.Это почти так же хорошо, как и в случае с мелкосерийными устройствами, изготовленными в лаборатории с помощью центрифугирования, метода, который позволяет получать высококачественные пленки в лаборатории, но коммерчески непрактичен, поскольку расходует до 90 процентов исходных чернил.Несколько удивительно для исследователей, их серийные версии показали молекулярную упаковку и текстуру, которые лишь немного напоминали таковые у лабораторных разновидностей, которые в лучшем случае преобразуют около 11 процентов падающего солнечного света в электрическую энергию.
«Эмпирическое правило гласило, что полимерные солнечные элементы большого объема должны выглядеть точно так же, как созданные в лаборатории, с точки зрения структуры, организации и формы в нанометровом масштабе», — сказал Ли Рихтер, физик из NIST, который работает над функциональными возможностями. полимеры. «Наши эксперименты показывают, что требования гораздо более гибкие, чем предполагалось, что позволяет увеличить структурную изменчивость без значительного ущерба для эффективности преобразования».«Эффективное производство рулонов в рулонах является ключом к достижению низкозатратного крупносерийного производства, которое позволит масштабировать фотоэлектрические технологии на значительную долю мирового производства энергии», — пояснил Хе Ян, сотрудник Гонконгского университета науки и Технология.Команда экспериментировала с материалом покрытия, состоящим из фторированного полимера и фуллерена (также известного как «бакиболл»). Полимер, получивший техническое название PffBT4T-2OD, привлекателен для масштабного производства — заявленная эффективность преобразования энергии превышает 11 процентов.
Важно отметить, что его можно наносить относительно толстыми слоями, что способствует непрерывной обработке.Однако самые эффективные солнечные элементы были произведены методом центрифугирования, мелкосерийным процессом. При нанесении покрытия методом центрифугирования жидкость распределяется по центру диска или другой подложки, которая вращается для распределения материала до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина покрытия. Помимо образования большого количества отходов, процесс является частичным, а не непрерывным, а размер субстрата ограничен.
Таким образом, исследовательская группа решила протестировать коммерчески значимые методы покрытия, тем более что PffBT4T-2OD можно наносить в виде относительно толстых слоев толщиной 250 нанометров и более, или размером примерно с большой вирус. Они начали с нанесения покрытия на лезвие — что-то вроде удерживания лезвия ножа на расстоянии ширины волоса над обработанной стеклянной подложкой, когда она скользит, нанося PffBT4T-2OD на подложку.Серия рентгеновских измерений показала, что температура, при которой был нанесен и высушен PffBT4T-2OD, значительно повлияла на структуру материала получаемого покрытия, особенно на ориентацию, расстояние и распределение образующихся кристаллов.Подложки, покрытые лезвием при температуре 90 градусов по Цельсию (194 градуса по Фаренгейту), были самыми эффективными, достигнув эффективности преобразования энергии, которая превысила 9,5 процента.
Удивительно, но на нанометровом уровне конечные продукты значительно отличались от «чемпионских» устройств с центрифугированием, изготовленных в лаборатории. Подробные измерения в режиме реального времени как во время нанесения покрытия на лезвие, так и во время нанесения покрытия методом центрифугирования, показали, что в результате быстрого охлаждения во время нанесения покрытия центрифугированием возникли различные структуры, а во время покрытия лезвия — постоянная температура.«Измерения в реальном времени были критически важны для правильного понимания кинетики пленкообразования и окончательной оптимизации», — сказал Арам Амасян, сотрудник Университета науки и технологий имени короля Абдаллы Саудовской Аравии.
Ободренные результатами, команда провела предварительные измерения покрытия PffBT4T-2OD, сформированного на поверхности гибкого пластикового листа. Покрытие было нанесено на линии нанесения покрытий NIST с рулона на рулон со щелевой фильерой, что напрямую имитирует крупномасштабное производство. Измерения подтвердили, что структуры материала, изготовленные с покрытием лезвия, и структуры материала, изготовленные с покрытием с помощью щелевого штампа, были почти идентичны при обработке при одинаковых температурах.
«Ясно, что тип используемого метода обработки влияет на форму доменов и их распределение по размерам в конечном покрытии, но эти отчетливо разные морфологии не обязательно снижают производительность», — сказал Харальд Аде, сотрудник из Университета штата Северная Каролина. «Мы думаем, что эти результаты дают важные подсказки для разработки полимерных солнечных элементов, оптимизированных для обработки рулонов».