солнечная батарея в квартире на окно
Солнечные батареи для квартиры на балконе
Кто из нас не мечтает об источнике бесплатной электроэнергии, к которому можно было бы подключить всю бытовую технику и навсегда забыть о счетах за электричество. Как ни странно, но такие источники существуют и успешно используются не только в промышленности, но и в быту, в том числе и для обеспечения электроэнергией отдельных частных домов. Ветряные мельницы, солнечные батареи – эти широко известные изобретения превращают один вид энергии в другой, не загрязняя окружающую среду, и не требуют при этом затрат на топливо. Конечно, назвать их абсолютно бесплатными нельзя, сами по себе такие установки довольно дорогие, но экономия от их использования очень скоро сможет оправдать все расходы. Бытует мнение, что альтернативные источники электроэнергии хороши для частных домов, на самом же деле они успешно используются и в условиях квартиры. В этом случае прекрасным решением является установка компактных и простых в исполнении солнечных батарей на балконе.
Устройство солнечных батарей
Солнечные батареи для квартиры на балконе должны быть небольшими, но достаточно мощными. Поскольку их мощность напрямую зависит от размеров, здесь нужно искать компромисс. Батареи представляют собой панели, состоящие из следующих элементов:
Собрать систему самостоятельно не составит труда, поэтому ее установкой и подключением можно заняться самостоятельно, не прибегая к услугам специалистов. Солнечная батарея со всеми комплектующими не занимает много места и полностью размещается в пределах балкона. В процессе эксплуатации она не требует особого ухода – ее достаточно при необходимости очищать от пыли и грязи.
Единственное требование – наличие системы отопления на балконе или хотя бы утеплительного слоя по всему периметру. Оборудование чувствительно к отрицательным температурам и в зимний период может работать с большими потерями энергии.
Установка солнечных батарей в многоквартирном доме
Элементы системы размещаются на балконе таким образом, чтобы не загромождать собой полезную площадь и при этом эффективно выполнять свои функции. Самым габаритным компонентом является аккумулятор. Его можно разместить под самым потолком, закрепив на стене, где он не будет никому мешать. Панель солнечной батареи, которая улавливает солнечную энергию и превращает ее в электрическую, закрепляется на стекле или в раме остекления. При этом она, будучи не совсем прозрачной, играет роль тонировки и надежно защищать от ультрафиолета.
Принцип работы солнечной батареи
Солнечная батарея – это, в первую очередь, набор фотоэлементов, которые, соединяясь между собой, формируют панель. Особенность фотоэлементов заключается в их способности генерировать электрическую энергию под воздействием солнечных лучей, что делает ее практически бесплатной. Количество производимой энергии зависит от материала панели и от ее площади. Таким образом, на выходе получается постоянный электрический ток, который попадает в инвертор, где преобразуется в переменный и может использовать в быту. Поскольку производительность батареи зависит от многих факторов (времени года, погоды, времени суток), энергия должна накапливаться впрок, для чего и используется аккумулятор. Он накапливает в себе электричество, а потом постепенно отдает его даже тогда, когда солнца нет, и батарея не выполняет свои функции.
Установка солнечных батарей на балконе
Одним из главных характеристик любой солнечной батареи является материал для фотоэлементов. Среди наиболее популярных:
Выбор материалов довольно большой, и чтобы подобрать подходящий, нужно разбираться в их эксплуатационных характеристиках. Менее продуктивные фотоэлементы стоят дешевле, но требуют большей площади панели, так что экономия здесь относительная. Разница в производительности довольно большая. Для примера, квадратный метр панели из монокристаллического кремния может давать до 125 Вт, а из аморфного кремния – 50 Вт.
На современном рынке наибольшим спросом пользуются монокристаллические и поликристаллические фотоэлементы. Первые имеют КПД порядка 13%, срок их службы около 30 лет, но при этом их производительность сильно зависит от погодных условий. Максимальный КПД можно получить только в солнечный ясный день, но в пасмурную погоду он значительно снижается. Поликристаллические фотоэлементы менее эффективные – их максимальный КПД составляет 9%, срок их эксплуатации тоже немного меньше – до 20 лет, но при этом их производительность практически не зависит от погоды.
Устанавливаем солнечные батареи на балконе своими руками
Плюсы и минусы солнечной батареи
К несомненным достоинствам данного источника энергии относится:
При всех своих достоинствах солнечная батарея имеет и ряд недостатков:
Подключение к солнечной батарее
Сразу стоит отметить, что полностью отказываться от услуг централизованного электроснабжения не нужно. Солнечная батарея при всех своих положительных качествах остается альтернативным и дополнительным источником энергии, количество которой ограничено. Более побробно тут как вывести батарею на балкон. Первым делом придется отказаться от использования мощных и слишком «прожорливых» электроприборов, отдавая предпочтение энергосберегающим и маломощным. Для некоторых такие шаги могут быть связаны с определенными проблемами, ведь не всю бытовую технику можно заменить аналогами с пониженным уровнем электропотребления. Именно для таких случаев и нужно оставить возможность подключения к общественным электросетям.
Солнечная батарея вполне может обеспечить необходимое количество электроэнергии для одной квартиры, но даже частичное подключение к ней отдельных приборов даст неплохую экономию.
Монтаж солнечных батарей
Монтаж солнечной батареи на балконе
Перед тем, как окончательно принять решение об установке солнечной батареи, нужно взвесить все «за» и «против». Еще раз стоит напомнить, что балкон должен быть утеплен, а температура здесь не должна опускаться ниже указанной в инструкции отметки. В идеале это помещение лучше сделать отапливаемым, но не всегда это возможно. На всякий случай нужно оставить возможность подключения системы к общедомовой электросети.
Установка солнечных батарей на балконе квартиры довольно простая. Ее панели закрепляются на каркасе, выполненном из металлического уголка, который надежно фиксируется на несущих конструкциях здания: стенах или плитах перекрытия. При выборе места расположения панелей нужно помнить, что их придется регулярно очищать, поэтому их поверхность должна быть в пределах досягаемости. Максимальное количество энергии фотоэлементы генерируют при попадании на них солнечных лучей под прямым углом, но на протяжении года солнце меняет свое положение, поэтому панели должны поворачиваться на угол порядка 12º.
Установка солнечных батарей дома
Для монтажа солнечной батареи понадобится:
Последовательность сборки солнечной батареи:
Солнечные батареи для электроснабжения квартиры
Применение альтернативных источников электричества — тема, которая находится на пике популярности. Особенно в наших реалиях, когда отключение электричества в жилых домах частое и непредсказуемое явление. Поэтому солнечные батареи для квартиры на балконе могут стать популярным вариантом выхода из подобных ситуаций. Давайте подробнее рассмотрим возможность размещения солнечных панелей в городских условиях и экономическую целесообразность такого подхода.
Основы работы солнечной панели
Солнечная панель, по-простому говоря, — группа фотопластин, соединенных между собой. Солнечные лучики, оказываясь на фотоэлементах солнечной панели, генерируют электрическую энергию. И как следствие, вырабатывается постоянный электрический ток. Но для бытовых целей такой ток бесполезен, поэтому в систему включен еще один прибор — инвертор. Его задача преобразовать постоянный ток, вырабатываемый гелиопанелью в переменный, который уже можно применять для бытовых целей.
Но, не все панели одинаковы. Основной показатель солнечной батареи — из какого материала она изготовлена. А их несколько:
Материалов для изготовления панелей, как видим, достаточно много. Какой установить? Для этого нужно определиться с вашими финансовыми возможностями и какой эффект от применения такого типа солнечных панелей вы ожидаете. Так дорогие монокристаллы могут выдавать до 125 Вт, а недорогой аморфный кремний — 50 Вт.
Рекомендуем к прочтению: подробно о том, что такое солнечные батареи, какие есть преимущества и недостатки их применения, а также как сделать солнечную батарею в домашних условиях своими руками.
Наиболее популярны батареи из монокристаллического и поликристаллического кремния. Монокристаллы обладают КПД на уровне 13 % с большим сроком эксплуатации — порядка 32 лет. Но надо учитывать, что их производительность чрезвычайно зависит от влияния погоды. Ясный и солнечный день дает возможность выжать из таких панелей максимальный КПД, но при пасмурной погоде этот показатель стремительно падает.
Поликристаллы не такие эффективные — КПД на уровне 9 %. С пониженным сроком эксплуатации — около 20 лет. Но погодные условия практически не влияют на их производительность.
Из чего состоит бытовая солнечная станция
Теперь немного познакомимся с тем, без чего получить электроэнергию для дома из гелиопанелей не получится.
Эффективность домашней системы
Исходя из практического применения, балконные системы с 4-мя панелями смогут выработать около 2-х кВт электроэнергии в течение всего светового дня. И на что их можно потратить? Этого может хватить на освещение комнаты или даже всей квартиры, при условии применения энергосберегающих ламп. Точно хватит, чтобы подзарядить ваш смартфон. Но стиральную машину, различного рода водонагреватели, электроплиту балконная солнечная система однозначно не потянет. Кроме того не забываем про зимний период, когда эффективность системы падает в 2–4 раза.
Экономическая составляющая
Брендовый комплект для бытового применения, конечно, стоит по-разному. Нижняя планка набора от 260 100 руб. Их китайские аналоги стоят гораздо дешевле. Но в любом случае, надо отдавать себе отчет в том, что период окупаемости для средних Российских широт будет очень длительным. Но не стоит сразу пугаться, с каждым годом технологии модернизируются, производители солнечных панелей в России расширяют ассортимент и становятся все более конкурентными, а продукция становится все более доступной.
Особенности установки
Если вы все-таки решили, что вам нужны солнечные батареи для вашей квартиры, то для их эффективной работы нужно придерживаться определённых правил:
Монтаж оборудования
И всё-таки комплект всех составляющих для выработки электричества на своем балкончике приобретен. Но не лишним будет дополнительно упомянуть, что если солнечные панели с успехом могут быть смонтированы на внешней стороне лоджии, то всё вспомогательное оборудование лучше размещать за остекленным и утепленным местом. Прочитайте внимательно инструкцию к приборам и о том, как подключить солнечную панель. Именно здесь можно почерпнуть бесценные сведения об минимально допустимой температуре окружающей среды. В более выигрышном положении находятся гелиосистемы напротив окон внутри квартиры.
Итак, какие инструменты и материалы понадобятся:
Операции по сборке гелиопанели:
При установке собранной конструкции, необходимо солнечные панели надежно закрепить на элементах конструкции самого балкона. Место установки лучше всего подобрать заранее, так как всю поверхность необходимо периодически очищать. Про правила установки мы уже говорили — желательно, чтобы он был под определенным углом к солнечным лучам.
Солнечные батареи для квартиры плюсы и минусы
Современные тенденции в применении чистых источников энергии позволяют сделать вывод об этих источниках энергии, что это самое перспективное направление на ближайшее будущее.
Основные достоинства такого источника энергии:
Недостатки тоже есть:
Что говорит закон
Для того чтобы установить особых согласований не нужно. Главное, чтобы соблюден ряд условий:
Но есть и исключения. Вам потребуется разрешение, если ваш дом относится к памятникам архитектуры или находится в историческом районе города. Изменить облик фасада возможен после получения специального разрешения из управления архитектуры вашего города. Такое же разрешение необходимо, если вы собираетесь переустроить сам балкон, иными словами говоря, изменить его конструкцию. К примеру, снять ограждение балкона.
Да, для установки солнечных панелей на балконе уже продаются готовые наборы. Но необходимо учесть, что такого набора гарантированно не хватит для электроснабжения всей квартиры. 65-вватная панель зарядит смартфон примерно за 3–4 часа. Если отключат свет, квартиру можно осветить с помощью светодиодных лент, подключенных к гелиопанели.
Можно установить панели внутри квартиры. Но помните, что стеклянное окно за счет отражения лучей солнца заберет примерно половину паспортной мощности системы.
И напоследок. Если все же вы твердо решили установить всю конструкцию на балкон или в квартире, то вам нужно будет приобрести и установить качественный гибридный инвертор (не с Алиэкспресс), а лучше два (на случай поломки).
Заключение
Теперь мы знаем, что с 7 утра и до 17 вечера мощность панели в солнечную погоду будет на уровне 30 Вт, что само по себе уже неплохо. В пасмурную погоду мощность естественно будет падать. Об экономической составляющей мы уже говорили – каждый сам решает, насколько ему необходима такая система, которая за неделю сможет выработать всего 2 кВт/час.
Но все же если не учитывать того момента, что установка такого комплекта на балконе не даст квартире полную энергонезависимость, в наших российских реалиях такой комплект может хорошо выручить — зарядит смартфон, светодиодные ленты будут давать свет. Кроме всего прочего, вы будете себя чувствовать сопричастным к процессу использования альтернативных источников энергии.
Видео по теме
Прозрачная энергия: превращение окон в солнечные панели
Последнее время то и дело говорят о зеленой энергии, возобновляемых источниках оной, а также о методах ее получения, хранения и использования. И это вполне логично, ведь население планеты неустанно растет, а запасы ископаемых источников энергии стремительно иссякают. Рано или поздно может наступить такой момент, когда вся энергия, используемая людьми, будет вырабатываться солнцем, ветром и т.д. Посему многие исследователи занимаются совершенствованием существующих и созданием новых методик сбора зеленой энергии. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Мичиганского университета разработали прозрачные (точнее полупрозрачные) солнечные панели. Из чего была создана данная технология, каков принцип ее работы, и смогут ли небоскребы стать эффективными сборщиками солнечной энергии? На эти вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Солнечные панели когда-то были достаточно большой редкостью, но сейчас, благо дело, их доступность и популярность сильно возросли. Недавно я проходил мимо одного жилого дома в своем городе и заметил, что его глухие стены и крыша полностью покрыты солнечными панелями. Это вызвало у меня в равной степени удивление, восхищение и море вопросов касательно эффективности, экономической выгоды и прочего. Тем не менее этот эмпирический пример отлично показывает одну особенность — панели были установлены там, где они не будут мешать (т.е. не на окнах).
Конечно, существуют целые поля солнечных панелей, занимающие сотни квадратных метров (а то и больше), но в густонаселенных и, следовательно, густозастроенных городах слишком мало свободного пространства для такого метода установки. Кто-то скажет: «если бы сильно хотели зеленую энергию и солнечные панели, то и место нашлось бы». Согласен, но реальность пока иная. Лишнего пространства между высотками может и не очень много, но вот чего много, так это окон, которые сами могли бы стать сборщиками солнечной энергии.
На данный момент уже существует несколько разработок в области полупрозрачных солнечных панелей, эффективность которых достигает 7%. В их разработке важную роль играют органические полупроводники. По сравнению с неорганическими полупроводниками, узкие экситонные* полосы внутри органических полупроводников открывают новые возможности в области органических фотоэлектрических элементов (далее OPV от organic photovoltaics), так как многие органические соединения избирательно поглощают свет за пределами видимого диапазона длин волн.
Экситон* — электронное возбуждение в полупроводнике, диэлектрике или металле, перемещающееся по кристаллу, но не связанное с переносом электрического заряда и массы.
Эффективность полупрозрачных фотоэлектрических элементов (ST-OPV) в 7% может радовать ученых и людей, понимающих сложность достижения такого показателя у столь нестандартной технологии, но с точки зрения экономической выгоды это слишком мало. Кроме того, лишь небольшая доля из разработанных ST-OPV достигает видимой прозрачности в ∼50%, что критично для многих приложений.
В результате для создания ST-OPV необходимо найти баланс между эффективностью сбора энергии и достаточным уровнем прозрачности, что не есть простая задача. Ученые также добавляют, что многие уже созданные ST-OPV имеют весьма неэстетичный внешний вид (оттенок стекла), что также никак не способствует популяризации данной технологии.
На сегодняшний день эффективные ST-OPV нейтрального цвета в основном сосредоточены на использовании материалов с сильным поглощением в ближней инфракрасной области (NIR), включающих структуры многопереходных устройств для минимизации потерь на термализацию, просветляющих покрытий (ARC) или апериодических диэлектрических отражателей (ADR) для увеличения поглощения.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают свой вариант ST-OPV, который достигает PCE = 10.8 ± 0.6% и APT = 45.7 ± 2.1%, что приводит к LUE = 5.0 ± 0.3.
PCE* — эффективность преобразования энергии (power conversion efficiency);
APT* — средняя светопропускная способность (average photopic transmission);
LUE* — эффективность использования света (light-utilization efficiency).
В устройстве используется NFA молекула NFA (нефулереновый акцептор) с высоким поглощением в ближнем ИК-диапазоне, для синтеза которой требуется всего несколько шагов. Несмотря на то, что NFA имеют частично ковалентно конденсированные кольцевые структуры (а не жесткие и полностью конденсированные), в них наблюдались сильные межмолекулярные π – π взаимодействия и плотная упаковка молекул (1А).
Изображение №1
Комбинация материалов, поглощающих свет в ближнем ИК-диапазоне, выводных (выход фотонов из светодиода после генерации) структур (OC от outcoupling) на выходной поверхности и прозрачных электродов позволила достичь того самого компромисса между эффективностью, прозрачностью и эстетичностью.
Нейтральный по цвету ST-OPV с использованием прозрачного анода из оксида индия-олова (ITO от indium tin oxide) показал PCE = 8.1 ± 0.3%, APT = 43.3 ± 1.5% и LUE = 3.5 ± 0.1%. Показатели света, проходящего через устройство, были таковыми: коэффициент цветопередачи (CRI) = 86; коррелированная цветовая температура (CCT) = 4143 K; хроматические координаты — (0.38, 0.39).
Результаты исследования
На изображении 1А показаны молекулярные структуры трех исследованных NFA, один из которых (а именно SBT-FIC) продемонстрировал полностью слившуюся молекулярную основу. Два других NFA (A078 и A134) с частично сплавленными ядрами являются изомерами SBT-FIC, содержащими четыре тиофена, два циклопентадиена и одно бензольное кольцо.
Одним из основных отличий между тремя NFA является сложность синтеза. На изготовление SBT-FIC требуется 10 этапов синтеза, а для создания A078 и A134 — всего от 4 до 6 этапов. В дополнение к этому, A078 и A134 привлекательны еще и достаточно большим выходом, а также менее токсичными и более дешевыми материалами для синтеза.
Спектры поглощения NFA в УФ-видимом диапазоне показаны на 1В и 1С. Удивительно, но тонкие пленки A078 и A134 демонстрируют значительные батохромные сдвиги*
135 нм по сравнению с SBT-FIC с пиком поглощения при λmax = 900 нм.
Батохромный сдвиг* — смещение спектральной полосы в длинноволновую область под влиянием заместителей или изменений среды.
Молекулярная орбиталь* — математическая функция, описывающая волновое поведение электронов в молекуле.
ВЗМО (высшая занятая молекулярная орбиталь) — орбиталь, которая среди заполненных в основном состоянии имеет наибольшую энергию.
НВМО (низшая вакантная молекулярная орбиталь) — полностью или частично вакантная молекулярная орбиталь с наименьшей энергией среди всех заполненных.
A078 и A134 демонстрируют более низкую ВЗМО-НВМО запрещенную зону (∼1.40 эВ), чем SBT-FIC (∼1.65 эВ), что согласуется с оптическими измерениями.
Далее NFA, смешанные с PCE-10, был использован в OPV со структурой ITO / ZnO (30 нм) / активный слой (∼100 нм) / MoO3 (20 нм) / Ag (100 нм).
Изображение №2
На графике 2А показаны характеристики плотности тока и напряжения вышеописанных NFA+PCE-10.
В устройстве на базе A078 были достигнуты следующие показатели: PCE = 13.0 ± 0.4%, VOC = 0.75 ± 0.01 В, JSC = 24.8 ± 0.7 мА/см 2 и FF = 0.70 ± 0.04.
Устройство OPV на основе A134 показало: PCE = 7.6 ± 0.2% с VOC = 0.75 ± 0.01 В, JSC = 16.7 ± 0.5 мА/см 2 и FF = 0.61 ± 0.03.
Для устройства PCE-10: SBT-FIC показатели были такими: PCE = 7.8 ± 0.3% с VOC = 0.70 ± 0.01 В, JSC = 17.2 ± 0.7 мА/см 2 и FF = 0.65 ± 0.02.
Стоит отметить, что добавка 1-фенилнаталена (PN) приводит к значительному повышению эффективности устройств A078 и A134 по сравнению с SBT-FIC, что связано с улучшенной молекулярной упаковкой A078 и A134, а также более благоприятной ориентацией молекул в смеси. Также видно, что устройство PCE-10:A134 показывает более низкий PCE по сравнению с OPV PCE-10:A078. Это связано с кристалличностью A134, что приводит к его более низкой растворимости.
График 2В показывает спектры внешней квантовой эффективности* (EQE) различных вариантов устройства.
Квантовая эффективность* — отношение числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощенных фотонов.
200 нм, которое обеспечивает охват солнечного спектра дальше в NIR.
Красное смещение* — явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.
EQE A078 OPV достигает 80%, между λ = 700 и 900 нм, оставляя окно прозрачности между видимыми длинами волн от 400 до 650 нм.
Изображение №3
На графиках 3А—3С показаны профили различных устройств на базе чистых пленок NFA и смеси PCE-10:NFA с/без добавления 1-фенилнаталена.
При добавлении 1-фенилнаталена показатель поглощения пленки PCE-10:NFA практически не меняется. А вот в смесях PCE-10:A078 и PCE-10:A134 обнаружен новый ярко выраженный пик агрегации около 900 нм. Это указывает на то, что добавка 1-фенилнаталена усиливает межмолекулярные π – π взаимодействия на частично связанных акцепторах, а не на полимерном доноре.
Далее были изучены морфологические свойства разных вариантов устройства.
A078 демонстрирует широкий (100) пик дифракции при 0.31 Å −1 с длиной ламеллярной когерентности Lc = 7.5 нм. В случае A134 пик дифракции был более узким и острым при 0.36 Å −1 с более высоким значением Lc = 15 нм. Из этого следует, что у A134 более высокая упорядоченность, чем у A078, что объясняется заменой объемной боковой цепи молекулы п-гексилфенила компактными линейными алкильными цепями.
SBT-FIC в свою очередь показывает дифракционный пик при 0.34 Å −1 с наименьшей длиной ламеллярной когерентности Lc = 3.7 нм из-за его аморфной природы.
За счет добавления 1-фенилнаталена дифракционные пики (010) PCE-10:A078 и PCE-10:A134 (3E) при 1.79 и 1.82 Å −1 (из-за NFA) смещены и показывают увеличенную длину когерентности (24 против 52 Å для A078) и (30 против 63 Å для A134).
А вот внесение добавок в PCE-10 никак не влияет на значение когерентности. Это подтверждает, что морфологические отличия между вариантами устройства происходят от NFA, а не от донора.
Кроме того, при использовании 1-фенилнаталена была обнаружена зависимость от ориентации молекул (параллельная или перпендикулярная). Для PCE-10:A078 отношение «параллельная/перпендикулярная» увеличивается с 2.37 до 3.64 (3D). Ввиду того, что параллельная ориентация молекул является идеальной для переноса заряда, становится очевидным, почему именно устройство A078 обладает столь высокой эффективностью (по сравнению с другими вариантами).
Ввиду этих данных именно A078 был использован в исследуемых полупрозрачных фотоэлектрических элементах (ST-OPV), структура которых выглядела следующим образом: ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (95 нм) / MoO3 (20 нм) / Ag (16 нм).
Изображение №4
Полученный ST-OPV показал LUE = 2.8 ± 0.1%, PCE = 11.0 ± 0.7% и APT = 25.0 ± 1.3%. Однако, несмотря на неплохой показатель PCE > 10%, применять данное устройство в архитектуре нельзя, так как там требуется, чтобы средняя светопропускная способность APT была
Решить эту проблему ученые смогли за счет специально разработанной структуры для управления оптическими свойствами устройства, позволяющей достичь максимального пропускания в видимом диапазоне и максимального отражения в ближнем ИК-диапазоне.
На анод из серебра было нанесено оптическое OC-покрытие, состоящее из четырех слоев: CBP (C36H24N2; толщина слоя 35 нм, коэффициент преломления 1.90) / MgF2 (100 нм, 1.38) / CBP (70 нм) / MgF2 (45 нм). А на дистальную поверхность стеклянной подложки наносили ARC (слой просветляющего материала), состоящий из бислоя MgF2 (120 нм) и SiO2 (130 нм) с достаточно низким коэффициентом преломления 1.12.
ST-OPV с OC и ARC продемонстрировал увеличение средней светопропускной способности (APT) с 25.0 ± 1.3% до 45.7 ± 2.1%, что является улучшением почти на 80% по сравнению с устройством без дополнительных слоев (т.е. без OC и ARC). Значение эффективности преобразования энергии (PCE) практически не изменилось (4С). Наблюдалось лишь незначительное уменьшение плотности тока (JSC = 20.4 ± 0.8 против 20.9 ± 1.2 мА/см 2 ). При использовании данной конфигурации устройства эффективность использования света составила LUE = 5.0 ± 0.3%. Данный показатель, по заявлению ученых, является самым высоким среди имеющихся на данный момент ST-OPV устройств.
Основные показатели разработанного устройства многообещающие, осталось изучить его внешний вид, что было сделано посредством смоделированного солнечного света (AM1.5G).
Свет, прошедший сквозь устройство с ОС и ARC покрытием, имел хроматические координаты (0.33, 0.39) и CCT = 5585 K. Тем временем, высокая отражательная способность ультратонкого катода из серебра при λ> 600 нм придает устройству зеленый оттенок. В отличие от Ag, ITO имеет более высокую прозрачность с плоским спектром пропускания в видимой области. Если использовать катод и анод ITO, то в результате можно получить более нейтральный оттенок.
Изображение №5
На графиках и фото выше показаны спектральные характеристики плотности тока, напряжения и EQE устройства ST-OPV на основе ITO со следующей структурой: MgF2 (120 нм) / стекло ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (105 нм) / MoO3 (20 нм) / напыление ITO (140 нм) / MgF2 (145 нм) / MoO3 (60 нм) / MgF2 (190 нм) / MoO3 (105 нм).
По сравнению с ST-OPV на основе Ag, устройство на основе ITO показывает различия в FF и VOC из-за его более высокой работы выхода* и поверхностного сопротивления (
Работа выхода* — энергия, которую должен получить электрон для его удаления из объема твердого тела.
Но самые значимые отличия наблюдались в показателях JSC и PCE. Поскольку устройство становится все более прозрачным, отражение от ITO анода в тонкую активную область уменьшается, устраняя двойной проход фотонов. Чтобы свести к минимуму потерю фотонов низкой энергии, OC покрытие было специально разработано с максимальным пропусканием в видимой области спектра и более высокой отражающей способностью на более длинных волнах. Таким образом, устройство с OC покрытием имеет на 15% более высокие значения JSC и PCE по сравнению с ITO устройством без покрытия, хотя видимая прозрачность при этом практически не меняется.
ITO устройство с ОС покрытием демонстрирует LUE = 3.5 ± 0.1%, PCE = 8.1 ± 0.3% и APT = 43.3 ± 1.5%, и имеет почти нейтральный оттенок. Также анализ трестируемого устройства показал, что оно передает цвет объекта за ним (5D).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В городах полно домов (простите за очевидное), следовательно, множество окон. Использование их в качестве площадки для сбора солнечной энергии является весьма разумной, но сложной в реализации идеей. С одной стороны необходимо собирать максимум энергии, с другой — суть окна в том, что оно прозрачное.
В данном труде ученые смогли продемонстрировать рабочий прототип устройства полупрозрачного фотоэлектрического элемента с PCE = 10.8 ± 0.6%, APT = 45.7 ± 2.1% и LUE = 5.0 ± 0.3%. Другим словами, эффективность устройства составила 10.8%, а его прозрачность 45.8%. Основным достоинством данной разработки является баланс между этими показателями.
На данный момент эффективность использования света составляет порядка 5%, что уже хорошо, ведь предшественники могли выдать максимум 2-3%. Однако ученые намерены продолжить свой труд и достичь 7%. Еще одной задачей, которую они перед собой поставили, является продление срока службы устройства до 10 лет. Долговечные, эффективные и эстетически красивые фотоэлементы смогут превратить обычное офисное здание в своего рода солнечную электростанцию.
Хотелось бы сказать, что подобные исследования своевременны, однако это не так. Такими разработками, особенно столь массово, как сейчас, стоило заниматься намного раньше, не дожидаясь момента, когда предотвращение экологической и энергетической катастрофы превратится в разбор последствий. В любом случае подобные начинания, хоть и с опозданием, имеют огромную важность не только для будущего человечества, но и для будущего нашей планеты.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! 🙂