As gevolg van hul unieke eienskappe, het organiese sonselle 'n aantal potensiële toepassings, insluitend integrasie in vensters om energie uit sonlig op te wek. Foto's met vergunning van MaterialDistrict
As u sonkrag voorstel, is die kans groot dat u beelde van groot sonpanele wat oor die lengte van 'n dak of 'n groot sonplaas buite in 'n veld. Maar sê nou jy kan 'n sonpaneel in die dak van 'n hibriede motor sit, op 'n tent of binne die vensters van 'n kantoorgebou? Stel u voor om 'n entstofkas op 'n afgeleë plek aan te dryf met 'n buigsame sonpaneel wat in 'n posbus gestuur kan word? Dit is 'n paar moontlike toepassings van 'n relatief nuwe tegnologie, bekend as organiese sonselle (OSC's) - ten minste nuut in vergelyking met silikon-sonkragtegnologie, wat al sedert die 1950's bestaan.
Soos tradisionele silikon-sonkragtegnologie, verander OSC's die sonenergie in bruikbare elektrisiteit. Maar dit is baie veelsydiger as gewone sonkrag-fotovoltaïese. OSC's is liggewig en buigsaam en kan gemaak word dat dit deursigtig of in verskillende kleure is. Hierdie eienskappe gee hulle potensiële toepassings vir tekstiel-, voertuig- en gebou-geïntegreerde sonselle, en om krag te skep in gebiede waar dit nie bestaan ​​nie.
Alhoewel addisionele finansiering en navorsing nodig is om OSC's na die kommersiële mark te bring, is kenners dit eens dat hulle 'n belangrike rol in die toekoms van sonkragtegnologie sal speel. Dit gesê, hulle sal nie kop-aan-kop vervang of meeding met silikonsonneselle nie. "Ons kan nie verwag om uitgebreide velde van OSC's te sien nie, soos dié wat gigawatt krag op silikonplase opwek," sê Seth Marder, professor in chemie aan Georgia Tech. Silikon-sonkrag is geskik vir die verskaffing van grootskaalse sonkrag, terwyl OSC's ander unieke sterkpunte het wat die regte wêreldtoepassings rig.
Twee dun kenmerke van OSC's is die dun en soepelheid daarvan. Terwyl 'n tipiese silikon-soncel ongeveer so dik is as die gemiddelde breedte van 'n menslike hare, is die meeste OSC's ongeveer duisend keer dunner. As gevolg van hul dunheid en buigsaamheid, kan OSC's op geboë oppervlaktes en buigsame rugkant vervaardig word. Hulle kan byvoorbeeld geplak word of in die weefsel van tente, rugsakke en selfs klere geïntegreer word. Die meeste van hierdie produkte word nog ontwikkel en beslaan 'n nismark, maar dit toon die innoverende kreatiwiteit wat OSC's bied. Met OSC-tegnologie is die moontlikhede vir waar sonneselle gebruik kan word, grootliks uitgebrei na net dakke en sonplase.
OSC's kan ook deursigtig, semi-deursigtig of in verskillende kleure gemaak word. As gevolg hiervan is daar baie potensiële toepassings vir argitektoniese gebruik. Deurskynende OSC's kan byvoorbeeld in vensters geïntegreer word om energie uit sonlig op te wek wat andersins 'n kamer kan opwarm en tot hoër lugversorgingskoste kan bydra. Franky So, 'n professor in materiaalwetenskap en ingenieurswese aan die Noord-Carolina State University, bied nog 'n toepassing: OSC's kan in sondakke gebruik word om elektriese en hibriede voertuie aan te dryf.
Daarbenewens maak lae aanvangsbelegging en potensieel lae afleweringskoste die OSC-tegnologie toeganklik vir gemeenskappe in ontwikkelende lande wat nie toegang het tot 'n elektriese netwerk nie en die finansiële middele om dit te bou. OSC's het 'n unieke vermoë om 'mag te bring waar mag nie bestaan ​​nie', verduidelik Malika Jeffries-EL, medeprofessor in chemie aan die Boston Universiteit. In hierdie gevalle kan OSC-tegnologie noodsaaklike elektrisiteit lewer in die kleiner hoeveelhede wat nodig is vir take soos beligting, laai van selfone, en verkoel medisyne en inentings.
Nog 'n verkooppunt van OSC's is dat dit minder energie-intensief is om te vervaardig as silikon-sonneselle. Uiters warm oonde - hoër as 1,500 2,700 ° C (XNUMX XNUMX ° F) - is nodig om silikon met 'n hoë suiwerheid vir silikonsonneselle op te wek. Ter vergelyking kan grootskaalse OSC's vervaardig word deur die lae van die sel eenvoudig op 'n rugkant te druk, in 'n proses soortgelyk aan wat gebruik word om koerante te druk. Omdat hierdie proses minder energie verbruik, het OSC's 'n aansienlik korter terugbetalingstyd as silikonselle. Met ander woorde, OSC's benodig korter tyd om die hoeveelheid energie op te wek wat dit benodig het om dit te vervaardig.
Die eerste organiese sonsel is in 1958 ontwikkel, maar eers in die 2000's het OSC's 'n beduidende toename in doeltreffendheid gesien. Hierdie verbeterde OSC-tegnologie het ontstaan ​​uit die veld van organiese ligdiodes, algemeen bekend as OLED's. OLED-tegnologie word vandag vir baie televisie- en telefoonskerms gebruik. In 'n OLED-skerm gee 'n laag organiese molekules (molekules wat hoofsaaklik bestaan ​​uit koolstof- en waterstofatome) lig uit wanneer 'n elektriese stroom aangewend word. OSC's werk in werklikheid op die teenoorgestelde manier - die laag organiese molekules genereer 'n elektriese stroom wanneer dit aan lig blootgestel word.
'N Organiese sonsel bestaan ​​uit veelvuldige lae materiale, waarvan een die aanvaardingslaag is. Wanneer sonlig die sel tref, word 'n elektron vrygestel van die laag organiese molekules, en die taak van die ontvanger is om dit elektron aan die elektrode oor te dra. Hierdie proses veroorsaak 'n opbou van lading, en dit is die opwekking van elektrisiteit.
Met die ontwikkeling van nie-fullereen-aanvaarders het die doeltreffendheid van OSC's sterk toegeneem. Grafiek met dank aan dr. Felipe Larrain
Tradisioneel was die mees gebruikte aanvaarders in OSC's materiale gebaseer op fullereen - 'n molekule wat bestaan ​​uit 60 koolstofatome wat saamgevoeg is in 'n struktuur wat lyk soos 'n sokkerbal. By fullerene-aanvaarders was die doeltreffendheid van OSC's egter tot ongeveer 10% beperk. Met ander woorde, slegs 10% van die sonlig wat die soncel tref, is in elektrisiteit omgeskakel. Navorsers het daarom probeer om nuwe soorte aanvaardingslae te ondersoek as 'n manier om die doeltreffendheid van OSC te verhoog.
Die deurbraak wat OSC's toegelaat het om hoër doeltreffendheid te behaal, was die ontwikkeling van nie-fullereen-aanvaarders (NFA's). Met NFA's het die doeltreffendheid van OSC's sterk toegeneem - tot 18% in net 'n paar jaar. Dit het OSC's aan die onderkant van die 18% tot 22% doeltreffendheid van die gemiddelde kommersiële silikon-soncel. Hierdie toename in doeltreffendheid het die verwagtinge van baie kundiges oortref, waarvan sommige in die veld begin werk het toe die doeltreffendheid van OSC's net ongeveer 3% was. "As u my 10 jaar gelede gesê het dat ons organiese sonselle met 18% doeltreffendheid het, sou ek gelag het," sê Marder.
Hindernisse om te oorkom
Daar is nog baie werk wat gedoen moet word voordat OSC's wyd bemark kan word. Een van die grootste uitdagings is die oplosmiddels wat in die vervaardigingsproses gebruik word. Die meeste van die beste OSC's word gemaak met gechloreerde oplosmiddels, wat gesondheids- en omgewingsgevare inhou. 'As u die OSC-vervaardiging vergroot, moet u rekening hou met die blootstelling van mense wat in die vervaardigingsaanlegte sal werk,' sê Bernard Kippelen, 'n professor in elektriese en rekenaaringenieurswese aan Georgia Tech. Die navorsing het tot dusver grotendeels gefokus op die verkryging van toenemende doeltreffendheid, maar soos Kippelen sê, 'ons het 'n benadering nodig wat veel verder gaan as net een nommer.' Om OSC's 'n lewensvatbare tegnologie te maak, moet die vervaardigingsproses geoptimaliseer word om dit veiliger en kostedoeltreffender te maak.
'N Ander hindernis vir die massaproduksie van OSC's is die verskil tussen die doeltreffendheid van individuele selle wat onder ideale laboratoriumtoestande getoets word, en die doeltreffendheid wat vir groter modules getoon word. Individuele selle kan baie doeltreffend wees, maar om verskeie selle in modules, panele of skikkings saam te stel, verg ekstra elektriese verbindings wat die doeltreffendheid sal verlaag. Soos Kippelen daarop wys, word hierdie soort verskille egter verwag. "Dit neem 'n rukkie voordat die toename in seldoeltreffendheid weerspieël word in die doeltreffendheid van modules wat van die vervaardigingslyne af kom," sê hy. "Dieselfde was van silikonsonneselle."
Befondsing vir OSC-navorsing is nog 'n bron van kommer. In die Verenigde State kom 'n groot deel van die finansiering vir sonkragnavorsing van regeringsinstansies, soos die Departement van Energie. Volgens Kippelen is 'baie finansieringsbronne egter opgedroog om navorsing oor OSC te doen', as gevolg van die opkoms van 'n vinnig groeiende klas sonselle wat genoem word perovskites. "Daar was baie opgewondenheid oor die gebruik van perovskiete omdat die doeltreffendheid daarvan in sommige gevalle selfs hoër is as silikon," sê Kippelen. Alhoewel die befondsing vir OSC's in die VSA afgeneem het, gaan China egter voort met die navorsing en ontwikkeling van OSC. "Die hoeveelheid werk [aan OSC-navorsing] in die Verenigde State is 'n klein fraksie van die hoeveelheid werk in China," sê Marder. 'Mense in China gaan dit ten volle op.'
Toekomstige wêreldverbruik van energie sal bly styg, veral omdat ontwikkelende lande dieselfde voordele van energieproduksie op aanvraag wil hê as wat ontwikkelde lande geniet. Navorsers soos Marder, Kippelen, Jeffries-EL en So say OSC-tegnologie het die potensiaal om 'n unieke en belangrike rol te speel in die wêreldwye oorgang na hernubare energie. Die onlangse toename in OSC-doeltreffendheid tot 18% het baie navorsers wat besig is om hierdie tegnologie te bevorder, en wetenskaplikes ondersoek nou tandem OSC's (wat twee verskillende materiale gebruik wat verskillende golflengtes sonlig absorbeer) om nog meer energie op te vang. Sommige is hoopvol dat hierdie ontwikkeling die doeltreffendheid van OSC nog verder kan verhoog - tot 20%.
Kippelen vra vir 'n langtermyn-siening van OSC-tegnologie. 'Sontegnologie sal nog lank bestaan,' sê hy, 'en ek glo regtig dat OSC mettertyd 'n belangrike tegnologie sal wees.'
Kellie Stellmach is 'n gegradueerde student wat haar Ph.D. in chemie by Georgia Tech. Sy is passievol oor die ontwikkeling van nuwe organiese materiale om uitdagings vir die omgewing en volhoubaarheid aan te spreek. Haar huidige navorsing fokus op die sintese van polimere met lae plafon temperatuur met moontlike toepassings as herwinbare materiale.