Récemment, de temps en temps, ils parlent d'énergie verte, de ses sources renouvelables, ainsi que des méthodes pour l'obtenir, la stocker et l'utiliser. Et c'est tout à fait logique, car la population de la planète est en constante augmentation et les réserves de sources d'énergie fossile s'épuisent rapidement. Tôt ou tard, un moment peut arriver où toute l'énergie utilisée par les gens sera générée par le soleil, le vent, etc. Par conséquent, de nombreux chercheurs s’emploient à améliorer les méthodes existantes et à créer de nouvelles méthodes de collecte d’énergie verte. Aujourd'hui, nous examinons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université du Michigan ont développé des panneaux solaires transparents (plus précisément translucides). De quoi cette technologie a-t-elle été créée, quel est le principe de son fonctionnement et les gratte-ciel peuvent-ils devenir des collecteurs efficaces d'énergie solaire? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques.Aller.
Base de recherche
Les panneaux solaires étaient autrefois assez rares, mais maintenant, heureusement, leur disponibilité et leur popularité ont considérablement augmenté. Récemment, je passais devant un immeuble résidentiel de ma ville et j'ai remarqué que ses murs blancs et son toit sont entièrement recouverts de panneaux solaires. Cela m'a amené à être tout aussi surpris, admirable et une mer de questions concernant l'efficacité, les avantages économiques, et plus encore. Néanmoins, cet exemple empirique montre parfaitement une caractéristique - les panneaux ont été installés là où ils n'interféreraient pas (c'est-à-dire pas sur les fenêtres).
Bien sûr, il existe des champs entiers de panneaux solaires qui couvrent des centaines de mètres carrés (voire plus), mais dans les villes densément peuplées et donc densément construites, il y a trop peu d'espace libre pour cette méthode d'installation. Quelqu'un dira: «si nous voulions vraiment de l'énergie verte et des panneaux solaires, alors il y aurait une place». Je suis d'accord, mais la réalité est encore différente. Il n'y a peut-être pas beaucoup d'espace supplémentaire entre les gratte-ciel, mais il y a beaucoup de fenêtres, qui elles-mêmes pourraient devenir des collecteurs d'énergie solaire.
À l'heure actuelle, il y a déjà plusieurs développements dans le domaine des panneaux solaires translucides, dont le rendement atteint 7%. Les semi-conducteurs organiques jouent un rôle important dans leur développement. Comparé aux semi-conducteurs inorganiques, excitonique étroit *les bandes à l'intérieur des semi-conducteurs organiques ouvrent de nouvelles possibilités dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (ci-après OPV pour le photovoltaïque organique ), car de nombreux composés organiques absorbent sélectivement la lumière en dehors de la gamme de longueurs d'onde visible.
Exciton * - excitation électronique dans un semi-conducteur, diélectrique ou métallique, se déplaçant à travers le cristal, mais non associée au transfert de charge électrique et de masse.L'efficacité des cellules photovoltaïques translucides (ST-OPV) de 7% peut plaire aux scientifiques et aux personnes qui comprennent la difficulté de réaliser un tel indicateur avec une technologie aussi atypique, mais du point de vue des avantages économiques, c'est trop peu. De plus, seule une petite fraction des ST-OPV développés atteint une transparence visible de ∼50%, ce qui est critique pour de nombreuses applications.
Par conséquent, pour créer un ST-OPV, il est nécessaire de trouver un équilibre entre l'efficacité de la collecte d'énergie et un niveau de transparence suffisant, ce qui n'est pas une tâche facile. Les scientifiques ajoutent également que bon nombre des ST-OPV déjà créés ont une apparence très inesthétique (abat-jour en verre), ce qui ne contribue pas non plus à la vulgarisation de cette technologie.
À ce jour, les ST-OPV de couleur neutre efficaces sont principalement axés sur l'utilisation de matériaux à forte absorption dans le proche infrarouge (NIR), y compris des structures de dispositifs à jonctions multiples pour minimiser la perte de thermalisation, des revêtements antireflets (ARC) ou des réflecteurs diélectriques apériodiques (ADR) pour augmenter absorption.
Dans le travail que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques décrivent leur version de ST-OPV, qui atteint PCE = 10,8 ± 0,6% et APT = 45,7 ± 2,1%, ce qui conduit à LUE = 5,0 ± 0,3.
PCE* — (power conversion efficiency);L'appareil utilise une molécule NFA (non-bulerene acceptor) avec une forte absorption dans le proche infrarouge, qui ne nécessite que quelques étapes pour synthétiser. Malgré le fait que les NFA ont des structures cycliques partiellement condensées de manière covalente (plutôt que des structures rigides et complètement condensées), de fortes interactions intermoléculaires π - π et un tassement moléculaire rapproché ont été observés chez eux ( 1A ).
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
Image # 1
La combinaison de matériaux absorbant la lumière dans le proche infrarouge, des structures de sortie (sortie des photons de la LED après génération) (OC par découplage ) sur la surface de sortie et des électrodes transparentes ont permis d'obtenir le même compromis entre efficacité, transparence et esthétique.
Le ST-OPV de couleur neutre utilisant une anode transparente en oxyde d'indium et d'étain (ITO à partir d' oxyde d' indium et d'étain ) a montré PCE = 8,1 ± 0,3%, APT = 43,3 ± 1,5% et LUE = 3,5 ± 0,1%. Les indicateurs de lumière traversant l'appareil étaient les suivants: indice de rendu des couleurs (IRC) = 86; température de couleur corrélée (CCT) = 4143 K; coordonnées chromatiques - (0,38, 0,39).
Résultats de recherche
L'image 1A montre les structures moléculaires des trois NFA testés, dont l'un (à savoir SBT-FIC) a montré un squelette moléculaire entièrement fusionné. Les deux autres NFA (A078 et A134) avec des noyaux partiellement fusionnés sont des isomères SBT-FIC contenant quatre thiophènes, deux cyclopentadiènes et un cycle benzénique.
L'une des principales différences entre les trois NFA est la complexité de la synthèse. La fabrication de SBT-FIC nécessite 10 étapes de synthèse, tandis que la fabrication de A078 et A134 ne prend que 4 à 6 étapes. En plus de cela, A078 et A134 sont attrayants pour leur rendement relativement élevé, ainsi que des matériaux de synthèse moins toxiques et moins chers.
Les spectres d'absorption du NFA dans la gamme UV-visible sont indiqués en 1B et 1C... De manière surprenante, les films minces A078 et A134 présentent des décalages bathochromiques significatifs * ~ 135 nm par rapport au SBT-FIC avec un pic d'absorption à λmax = 900 nm.
Déplacement batochromique * - déplacement de la bande spectrale vers la région des ondes longues sous l'influence de substituants ou de changements dans l'environnement.La voltampérométrie cyclique des molécules de NFA a montré que pour SBT-FIC, les énergies de l' orbitale moléculaire occupée la plus élevée * (HOMO) et de l'orbitale moléculaire vacante la plus basse (LUMO) étaient EH = -5,81 (± 0,02) et EL = -4,15 (± 0,03) eV. Pour A078, les indices étaient de 5,58 (± 0,02) et -4,06 (± 0,03) eV. Et pour A134: -5,54 (± 0,02) et -4,05 (± 0,03) eV.
* — , .A078 et A134 démontrent une bande interdite HOMO-LUMO plus faible (∼1,40 eV) que SBT-FIC (∼1,65 eV), ce qui est en accord avec les mesures optiques.
( ) — , .
( ) — .
En outre, du NFA mélangé avec du PCE-10 a été utilisé dans le VPO avec la structure ITO / ZnO (30 nm) / couche active (~ 100 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (100 nm).
Image # 2 Le
graphique 2A montre la densité de courant et les caractéristiques de tension du NFA + PCE-10 décrit ci-dessus.
Dans un appareil basé sur A078 ont été obtenus les paramètres suivants: PCE = 13,0 ± 0,4%, teneur en COV = 0,75 ± 0,01 B, JSC = 24,8 ± 0,7 mA / cm 2 et FF = 0,70 ± 0,04.
Le dispositif OPV basé sur A134 a montré: PCE = 7,6 ± 0,2% avec COV = 0,75 ± 0,01 V, JSC = 16,7 ± 0,5 mA / cm 2 et FF = 0,61 ± 0,03.
Pour le dispositif PCE-10: SBT-FIC, les indicateurs étaient les suivants: PCE = 7,8 ± 0,3% avec COV = 0,70 ± 0,01 V, JSC = 17,2 ± 0,7 mA / cm 2 et FF = 0,65 ± 0,02.
Il est à noter que l'ajout de 1-phénylnatalène (PN) conduit à une augmentation significative de l'efficacité des dispositifs A078 et A134 par rapport au SBT-FIC, ce qui est associé à l'amélioration du compactage moléculaire de A078 et A134, ainsi qu'à l'orientation plus favorable des molécules dans le mélange. Vous pouvez également voir que le PCE-10: A134 affiche un PCE inférieur par rapport à l'OPV PCE-10: A078. Cela est dû à la cristallinité du A134, qui conduit à sa solubilité plus faible.
Le graphique 2B montre les spectres d' efficacité quantique externe * (EQE) de diverses variantes de dispositifs.
Efficacité quantique * - le rapport du nombre de photons, dont l'absorption a provoqué la formation de quasi-particules, au nombre total de photons absorbés.L'amélioration significative de JSC pour A078 par rapport au SBT-FIC OPV est due à son redshift d' absorption de ~ 200 nm * , qui fournit une couverture du spectre solaire plus loin dans le NIR.
Redshift * est un phénomène où la longueur d'onde du rayonnement augmente (la lumière devient plus rouge, par exemple), et la fréquence et l'énergie diminuent.EQE A078 OPV atteint 80%, entre λ = 700 et 900 nm, laissant une fenêtre de transparence entre les longueurs d'onde visibles de 400 à 650 nm.
Image # 3 Les
graphiques 3A - 3C montrent les profils de divers dispositifs basés sur des films NFA purs et un mélange PCE-10: NFA avec / sans 1-phénylnatalène.
Avec l'ajout de 1-phénylnatalène, l'indice d'absorption du film PCE-10: NFA est pratiquement inchangé. Mais dans les mélanges PCE-10: A078 et PCE-10: A134, un nouveau pic d'agrégation prononcé à environ 900 nm a été trouvé. Cela indique que l'ajout de 1-phénylnatalène améliore les interactions intermoléculaires π - π au niveau des accepteurs partiellement liés plutôt qu'au niveau du donneur de polymère.
En outre, les propriétés morphologiques de différentes variantes du dispositif ont été étudiées.
A078 présente un large pic de diffraction (100) à 0,31 Â - 1 avec une longueur de cohérence lamellaire L c = 7,5 nm. Dans le cas de A134, le pic de diffraction était plus étroit et plus net à 0,36 Â - 1 avec une valeur plus élevée de L c = 15 nm. Il en résulte que A134 a un ordre supérieur à A078, ce qui s'explique par le remplacement de la chaîne latérale volumineuse de la molécule de p-hexylphényle par des chaînes alkyles linéaires compactes.
SBT-FIC, à son tour, montre un pic de diffraction à 0,34 Å - 1 avec la plus courte longueur de cohérence lamellaire L c = 3,7 nm en raison de sa nature amorphe.
En raison de l'ajout de 1-phénylnatalène, les pics de diffraction (010) PCE-10: A078 et PCE-10: A134 ( 3E) à 1,79 et 1,82 Â - 1 (en raison de NFA) sont déplacés et présentent une longueur de cohérence accrue (24 contre 52 Â pour A078) et (30 contre 63 Â pour A134).
Mais l'ajout d'additifs au PCE-10 n'affecte en rien la valeur de cohérence. Cela confirme que les différences morphologiques entre les variantes du dispositif proviennent du NFA et non du donneur.
De plus, lorsque le 1-phénylnatalène était utilisé, une dépendance vis-à-vis de l'orientation des molécules (parallèle ou perpendiculaire) a été trouvée. Pour PCE-10: A078, le rapport parallèle / perpendiculaire passe de 2,37 à 3,64 ( 3D ). Étant donné que l'orientation parallèle des molécules est idéale pour le transfert de charge, il devient évident pourquoi le dispositif A078 a une efficacité aussi élevée (par rapport à d'autres options).
Au vu de ces données, c'est A078 qui a été utilisé dans les cellules photovoltaïques semi-transparentes étudiées (ST-OPV), dont la structure était la suivante: ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (95 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (16 nm).
Image # 4
Le ST-OPV reçu a montré LUE = 2,8 ± 0,1%, PCE = 11,0 ± 0,7% et APT = 25,0 ± 1,3%. Cependant, malgré le bon PCE> 10%, ce dispositif ne peut pas être utilisé en architecture, car il nécessite que la transmittance lumineuse moyenne de l'APT soit d'environ 50%.
Les scientifiques ont pu résoudre ce problème grâce à une structure spécialement conçue pour contrôler les propriétés optiques de l'appareil, ce qui permet d'obtenir une transmission maximale dans le domaine visible et une réflexion maximale dans le proche infrarouge.
Un revêtement OC optique a été appliqué sur l'anode en argent, composé de quatre couches: CBP (C 36 H 24 N 2 ; épaisseur de couche 35 nm, indice de réfraction 1,90) / MgF 2 (100 nm, 1,38) / CBP (70 nm) / MgF 2 (45 nm). Et sur la surface distale du substrat de verre revêtu d'ARC (couche de matériau antireflet) constitué d'une bicouche MgF 2 (120 nm) et SiO 2 (130 nm) avec un indice de réfraction suffisamment bas 1,12.
Le ST-OPV avec OC et ARC a montré une augmentation de la transmittance moyenne de la lumière (APT) de 25,0 ± 1,3% à 45,7 ± 2,1%, ce qui est une amélioration de près de 80% par rapport à un appareil sans couches supplémentaires (c'est-à-dire sans OC et ARC) ... La valeur de l'efficacité de conversion de puissance (PCE) est restée pratiquement inchangée ( 4C ). Seule une légère diminution de la densité de courant a été observée (JSC = 20,4 ± 0,8 contre 20,9 ± 1,2 mA / cm 2 ). Avec cette configuration d'appareil, l'efficacité d'utilisation de la lumière était LUE = 5,0 ± 0,3%. Ce chiffre, selon les scientifiques, est le plus élevé parmi les dispositifs ST-OPV actuellement disponibles.
Les principaux indicateurs de l'appareil développé sont prometteurs, il reste à étudier son apparence, ce qui a été fait au moyen de la lumière solaire simulée (AM1.5G).
La lumière transmise à travers le dispositif avec revêtement OC et ARC avait des coordonnées chromatiques (0,33, 0,39) et CCT = 5585 K. Pendant ce temps, la réflectivité élevée de la cathode en argent ultra-mince à λ> 600 nm donne au dispositif une teinte verte. Contrairement à Ag, ITO a une transparence plus élevée avec un spectre de transmission plat dans la région visible. L'utilisation d'une cathode et d'une anode ITO donne une teinte plus neutre.
Image # 5
Les graphiques et la photo ci-dessus montrent les caractéristiques spectrales de la densité de courant, de la tension et de l'EQE d'un dispositif ST-OPV basé sur ITO avec la structure suivante: MgF 2(120 nm) / verre ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (105 nm) / MoO 3 (20 nm) / dépôt ITO (140 nm) / MgF 2 (145 nm) / MoO 3 (60 nm) ) / MgF 2 (190 nm) / MoO 3 (105 nm).
Comparé au ST-OPV basé sur Ag, le dispositif ITO présente des différences de FF et de COV en raison de sa fonction de travail * et de sa résistance de surface plus élevées (~ 50 ohms / carré).
La fonction de travail * est l'énergie qu'un électron doit recevoir pour le retirer du volume d'un solide.Mais les différences les plus significatives ont été observées dans les scores JSC et PCE. Au fur et à mesure que le dispositif devient de plus en plus transparent, la réflexion de l'anode ITO dans la zone active mince est réduite, éliminant le double passage des photons. Pour minimiser la perte de photons de faible énergie, le revêtement OC a été spécialement conçu pour une transmission maximale dans le spectre visible et une réflectivité plus élevée à des longueurs d'onde plus longues. Ainsi, le dispositif revêtu d'OC a des valeurs JSC et PCE 15% plus élevées par rapport au dispositif ITO non revêtu, bien que la transparence apparente soit pratiquement inchangée.
Le dispositif ITO revêtu d'OC présente une LUE = 3,5 ± 0,1%, PCE = 8,1 ± 0,3% et APT = 43,3 ± 1,5%, et a une teinte presque neutre. De plus, l'analyse de l'appareil testé a montré qu'il transmettait la couleur de l'objet derrière lui ( 5D ).
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et des éléments supplémentaires .
Épilogue
Les villes sont pleines de maisons (désolé pour l'évidence), d'où beaucoup de fenêtres. Les utiliser comme plateforme de collecte de l'énergie solaire est une idée très sensée, mais difficile à mettre en œuvre. D'une part, il est nécessaire de collecter le maximum d'énergie, d'autre part, l'essence de la fenêtre est qu'elle est transparente.
Dans ce travail, les scientifiques ont pu démontrer un prototype fonctionnel d'un dispositif de cellule photovoltaïque semi-transparent avec PCE = 10,8 ± 0,6%, APT = 45,7 ± 2,1% et LUE = 5,0 ± 0,3%. En d'autres termes, l'efficacité de l'appareil était de 10,8% et sa transparence de 45,8%. Le principal avantage de cette évolution est l'équilibre entre ces indicateurs.
Pour le moment, l'efficacité de l'utilisation de la lumière est d'environ 5%, ce qui est déjà bon, car les prédécesseurs pourraient donner un maximum de 2-3%. Cependant, les scientifiques ont l'intention de poursuivre leurs travaux et d'atteindre 7%. Un autre défi qu'ils se sont fixé est de prolonger la durée de vie de l'appareil à 10 ans. Durables, efficaces et esthétiques, les cellules solaires peuvent transformer un immeuble de bureaux ordinaire en une sorte de centrale solaire.
Je voudrais dire que ces études sont opportunes, mais ce n’est pas le cas. De tels développements, surtout à une échelle aussi massive qu'aujourd'hui, auraient dû être faits bien plus tôt, sans attendre le moment où la prévention d'une catastrophe environnementale et énergétique se transforme en analyse des conséquences. En tout état de cause, de telles entreprises, quoique tardives, sont d’une grande importance non seulement pour l’avenir de l’humanité, mais aussi pour l’avenir de notre planète.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez un excellent week-end, les gars! :)
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