Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка органических фотовольтаических устройств на гибкой подложке

ФИО: Саранин Д.С.

Направление: Современные материалы и технологии их создания (У.М.Н.И.К.)

Институт: Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра: Кафедра Полупроводниковой электроники и физики полупроводников

Академическая группа: аспирант

На сегодняшний день одним из направлений развития России является повышение энергетической эффективности экономики на основе развития альтернативной энергетики, где одним из перспективных направлений является солнечная энергетика. Основное производство и практические весь рынок фотовольтаических преобразователей солнечной энергии приходится на устройства на неорганической основе (на основе кремния, соединений A III B V и пр), и большая часть затрат относится к синтезу исходного материала и использования дорогостоящего оборудования для проведение технически сложных операций (производство силана, тигельные методы выращивания монокристаллов методами Чохральского-Степанова, большое количество степеней очистки- зонная плавка, многократные операции фотолитографии-травления, формования слоев, ионного легирования, процессы требующие высокого вакуума). Поэтому весьма перспективно выглядит использование технологий солнечных батарей на органической основе.

Главное преимущество и перспектива органических аналогов в возможности создания солнечных модулей на гибких подложках больших площадей («рулонная технология») с гораздо более низкой себестоимостью, по сравнению с неорганическими солнечными батареями. Эта технология поддерживается такими производственными методами, как струйная, флексографическая, слот-матричная печати, не требующих затрат на вакуумные процессы. Органические солнечные модули легкие и более гибкие по сравнению с их тяжелыми и жесткими неорганическими аналогами, и, следовательно, менее склонны к повреждениям и коррозии. Они могут существовать в различных портативных формах и их гибкость делает хранение, установку и транспортировку намного легче. Энергия, затраченная на производство солнечных батарей энергия значительно меньше, необходимой для обычных неорганических ячеек. Широкое использование органических солнечных элементов может способствовать более широкому использованию солнечной энергии в глобальном масштабе и сделать возобновляемые источники энергии доступными для среднего потребителя.

Одно из главных направлений органической фотовольтаики – замена дорогостоящего материала прозрачной керамики ITO (Оксид индия 90% – олова 10%), требующей вакуумного магнетронного напыления и , также имеющий ряд ограничений при использовании на гибких подложках из-за своей хрупкости. В свою очередь, в этой области большой потенциал имеет использование углеродных нанокомпозитов – трубок и графенов. Направление разработки метода синтеза, нанесения и отладки углеродных наноматериалов (УНМ) в органической солнечной батарее идет на существенное снижение затрат при производстве материала, а также на уход от вакуумных процессов и дорогостоящего оборудование для нанесение ITO (магнетронные распылители) в сторону коммерчески общедоступных принтеров струйной термо и пьезопечати УНМ. В связи большой долей импорта прозрачных токопроводящх материалов, в подавляющем большинстве ITO из Китая, Европы, Японии и США использование вышеописанного материала и технологии нанесения может значительно снизить затраты, как в производстве, так и в сфере разработок R&D-research and development, а также в потенциале решить проблему импортозамещения оптически прозрачных токопроводящий покрытий.

Разработка солнечных модулей на органической, полупроводниковой основе на гибкой подложке с требуемым значением эффективности 5% осуществляется с решением следующих задач:

1) Разработка и получение технологии синтеза и производства углеродного наноматериала (УНМ) – углеродных чернил на основе нанотрубок с использованием методов ультрацентрифугирования;

2) Разработка метода нанесения углеродных нанотрубок струйной печатью на коммерчески доступных термических и пьезоструйных фотопринтерах;

3) Отладка работы напечатанного УНМ – прозрачного электрода в органической солнечной батарее, замена более дорогостоящего аналога- прозрачной керамики ITO на углеродном наноматериале.

4) Получение органической солнечной батареи с эффективностью преобразования энергии порядка 5%, являющейся конкуретноспособным устройством по сравнению с аналогами с использованием дорогостоящей керамики ITO.

Рисунок 1 – Строение солнечной ячейки

Полупроводниковое устройство- органическая солнечная ячейка (СЯ) или модуль, представляет собой многослойную структуру, общей толщиной не более 250 нм (рисунок 1). Структура (на рис. 1), в свою очередь, состоит из последовательности слоев, толщиной каждого не более 100 нм, в нее входят прозрачная подложка (1); прозрачный электрод (2), электронно-проводящий слой (3, оксид цинка с электронной проводимостью); объемный донор-акцепторный гетеропереход (4, бленд органического полимерного донора на основе политиофена и фуллереа); дырочно-проводящий слой (5, полимер на основе политиофена и полистирола с дырочной проводимостю), (6) непрозрачный электрод слой алюминия или серебра.

Прозрачная подложка – материал, являющийся основой конструкции, термостаблизированные гибкие прозрачные полимеры на основе полиэтилентерефталата, прошедшие специальную термообработку для повышения адгезионной способности. Толщина 125 мкм, прозрачность более 95%. Прозрачный анод – оптически прозрачное, токопроводящее покрытие, коэффициент пропускания выше 85%. Удельное сопротивление менее 200 Ом/кв. Материал – основа разработки, синтезируемый УНМ. Общая Структура солнечной ячейки имеет строение: