الخلايا الشمسية العضوية

الخلايا الشمسية العضوية أو الخلايا الشمسية البلاستيكية هي نوع من الخلايا الضوئية التي تستخدم الإلكترونيات العضوية ، وهو فرع من الإلكترونيات التي تتعامل مع البوليمرات العضوية الموصلة أو الجزيئات العضوية الصغيرة ، لامتصاص الضوء ونقل الشحنة لإنتاج الكهرباء من أشعة الشمس بواسطة التأثير الضوئي. معظم الخلايا الكهروضوئية العضوية هي خلايا شمسية بوليمرية.

الجزيئات المستخدمة في الخلايا الشمسية العضوية هي قابلة للحل في عملية إنتاجية عالية وهي رخيصة ، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الإنتاج لتصنيع حجم كبير. إلى جانب مرونة الجزيئات العضوية ، من المحتمل أن تكون الخلايا الشمسية العضوية فعّالة من حيث التكلفة بالنسبة للتطبيقات الكهروضوئية. يمكن للهندسة الجزيئية (على سبيل المثال تغيير الطول والمجموعة الوظيفية للبوليمرات) تغيير فجوة النطاق ، مما يسمح بالتوافق الإلكتروني. إن معامل الامتصاص البصري للجزيئات العضوية مرتفع ، لذا يمكن امتصاص كمية كبيرة من الضوء بكمية صغيرة من المواد ، عادة بترتيب مئات النانومترات. تتمثل العيوب الرئيسية المرتبطة بالخلايا الكهروضوئية العضوية في الكفاءة المنخفضة والثبات المنخفض والقوة المنخفضة مقارنة بالخلايا الضوئية غير العضوية مثل الخلايا الشمسية السليكونية.

بالمقارنة مع الأجهزة المستندة إلى السيليكون ، تكون خلايا البوليمر الشمسية خفيفة الوزن (وهو أمر مهم بالنسبة لأجهزة الاستشعار الصغيرة المستقلة) ، والتي يمكن التخلص منها وتصنيعها غير مكلفة (أحيانًا باستخدام الإلكترونيات المطبوعة) ومرنة وقابلة للتخصيص على المستوى الجزيئي وقد يكون لها تأثير بيئي ضار أقل. تمتلك الخلايا الشمسية البوليمرية أيضًا القدرة على إظهار الشفافية ، مما يشير إلى التطبيقات في النوافذ والجدران والإلكترونيات المرنة ، إلخ. ويرد مثال على هذا الجهاز في الشكل 1. وتعتبر عيوب الخلايا الشمسية البوليمر خطيرة أيضًا: فهي تقدم حوالي 1/3 من كفاءة المواد الصلبة ، وتجربة تدهور ضوئي كيميائي كبير.

وقد أدت مشكلات عدم كفاءة واستقرار الخلايا الشمسية البوليمرية ، إلى جانب وعدها بتكاليف منخفضة وزيادة الكفاءة ، إلى جعلها مجالًا شائعًا في أبحاث الخلايا الشمسية. اعتبارا من عام 2015 ، كانت الخلايا الشمسية البوليمر قادرة على تحقيق كفاءة أكثر من 10 ٪ عن طريق هيكل جنبا إلى جنب.

علوم فيزيائية
الخلية الفلطائية الضوئية هي صمام ثنائي أشباه الموصلات متخصص يحول الضوء إلى كهرباء التيار المباشر (DC). اعتمادا على الفجوة في نطاق المادة الممتصة للضوء ، يمكن للخلايا الضوئية أيضا أن تحوّل فوتونات الطاقة المنخفضة ، الأشعة تحت الحمراء (IR) أو الطاقة العالية ، الأشعة فوق البنفسجية (UV) إلى كهرباء التيار المستمر. من الخصائص المشتركة لكل من الجزيئات الصغيرة والبوليمرات المستخدمة كمواد ممتصة للضوء في الخلايا الكهروضوئية ، أنها تمتلك جميعًا أنظمة مترافقة كبيرة. يتم تشكيل نظام مترافق حيث ترتبط ذرات الكربون بشكل تساهمي مع روابط مفردة ومزدوجة بديلة. هذه الإلكترونات الهيدروكربونية pz orbitals تعيِّن وتكوِّن رابطة ملتصقة محايدة مع مدار ant مضاد للدوران π. إن المدار “delocalized” المداري هو أعلى مدار جزيئي مشحون (HOMO) ، و π * المداري هو أدنى مدارات جزيئية غير مشغولة (LUMO). في فيزياء أشباه الموصلات العضوية ، يأخذ HOMO دور نطاق التكافؤ بينما يعمل LUMO كفرقة التوصيل. يعتبر فصل الطاقة بين مستويات الطاقة HOMO و LUMO هو فجوة نطاق المواد الإلكترونية العضوية وعادة ما يكون في نطاق 1-4 فولت.

يمكن امتصاص كل الضوء ذي الطاقة الأكبر من فجوة النطاق للمادة ، على الرغم من وجود مفاضلة لتقليل فجوة النطاق حيث أن الفوتونات الممتصة بالطاقات الأعلى من فجوة النطاق ستعطيها حرارياً الطاقة الزائدة ، مما يؤدي إلى انخفاض الفولتية وكفاءة تحويل الطاقة. عندما تمتص هذه المواد الفوتون ، يتم إنشاء حالة متحمس وتقتصر على جزيء أو منطقة من سلسلة البوليمر. يمكن اعتبار الحالة المثارة كإثبيتون ، أو زوج ثقب إلكتروني يرتبط ببعضهما البعض بتفاعلات الكتروستاتيك. في الخلايا الضوئية ، يتم تقسيم الإكسيتونات إلى أزواج خالية من الإلكترون عن طريق الحقول الفعالة. يتم إنشاء الحقول الفعالة عن طريق إنشاء اختلاط متغاير بين مادتين مختلفتين. في الخلايا الكهروضوئية العضوية ، تقوم الحقول الفعالة بتفريق الأكتاتونات عن طريق التسبب في سقوط الإلكترون من نطاق التوصيل الخاص بالامتصاص إلى نطاق التوصيل لجزيء المستقبِل. من الضروري أن تكون مادة المستقبل لديها حافة نطاق توصيل أقل من مادة الامتصاص.

تتكون الخلايا الشمسية البوليمرية عادة من طبقة إلكترون أو ثقب عرقوب أعلى زجاج موصل أكسيد إنديوم قصدير (ITO) يتبعه مانع إلكترون ومتقبل إلكترون (في حالة الخلايا الشمسية غير المتجانسة) ، ثقب أو إلكترون. طبقة ، وقطب معدني في الأعلى. تعتمد طبيعة وترتيب طبقات الحجب – وكذلك طبيعة القطب المعدني – على ما إذا كانت الخلية تتبع بنية جهاز منتظمة أو مقلوبة. في الخلية المعكوسة ، تخرج الشحنات الكهربائية من الجهاز في الاتجاه المعاكس كما هو الحال في الجهاز العادي لأن الأقطاب الموجبة والسالبة معكوسة. يمكن للخلايا المقلوبة أن تستخدم كاثودات من مادة أكثر ملاءمة ؛ تتمتع OPV المعكوسة بأعمار أطول من OPVs المنظمة بشكل منظم ، ولكنها عادة لا تصل إلى كفاءات عالية مثل OPVs العادية.

في الخلايا الشمسية بوليمر غير متجانس السائبة ، يولد ضوء excitons. فصل الشحنة اللاحق في الواجهة بين متبرع إلكترون و متقبل يمزج داخل الطبقة النشطة للجهاز. ثم تنتقل هذه الشحنات إلى أقطاب الجهاز عندما تتدفق الشحنات خارج الخلية ، ثم تنجز العمل ثم تعيد إدخال الجهاز على الجانب الآخر. كفاءة الخلية محدودة بعدة عوامل ، خاصة إعادة التركيب غير الحديدي. يؤدي قابلية التنقل بالقطب إلى التوصيل الأسرع عبر الطبقة النشطة.

تتكون الخلايا الكهروضوئية العضوية من مواد متقبلة للإلكترون والمتبرع الإلكترون بدلاً من تقاطعات أشباه الموصلات. تكون الجزيئات التي تشكل المنطقة المانحة للإلكترونات للخلايا الكهروضوئية العضوية ، حيث يتم توليد أزواج الإلكترون – ثقب الإكتيتون ، عبارة عن بوليمرات مترافقة بشكل عام تمتلك إلكترونات غير متحيزة تنتج عن تهجين كربونى مداري. ويمكن إثارة هذه الإلكترونات by عن طريق الضوء في الجزء المرئي من الطيف أو بالقرب منه ، من أعلى مدار جزيئي مشغول في جزيء (HOMO) إلى أدنى مدارات جزيئية غير مشغولة (LUMO) ، يُشار إليها بواسطة الانتقال π -π *. تحدد فجوة نطاق الطاقة بين هذه المدارات الطول الموجي (الطول) للضوء الذي يمكن امتصاصه.

وخلافا لمادة الخلايا الكهروضوئية البللورية غير العضوية ، مع بنية نطاقها والإلكترونات غير المتماثلة ، ترتبط الإكسيتونات في الخلايا الكهروضوئية العضوية بقوة بين 0.1 و 1.4 فولت. يحدث هذا الارتباط القوي لأن وظائف الموجات الإلكترونية في الجزيئات العضوية تكون أكثر محلية ، وبالتالي يمكن أن يحافظ الإلكتروستاتيك على الإلكترون والثقب معًا كإكستاتون. يمكن فصل الإلكترون والفتحة عن طريق توفير واجهة تتناقص فيها الإمكانات الكيميائية للإلكترونات. المادة التي تمتص الفوتون هي الجهة المانحة ، وتسمى المادة التي تحصل على الإلكترون بالمستقبل. في الشكل 2 ، تكون سلسلة البوليمر هي المتبرع والفوليرين هو المستقبِل. حتى بعد الانفصال ، قد يتم ضم الإلكترون والفتحة كزوج “geimate” ، ومن ثم يتم طلب حقل كهربائي للفصل بينهما. يجب جمع الإلكترون والثقب في جهات الاتصال. إذا كان تنقل حامل الشحنة غير كافٍ ، فلن تصل الناقلات إلى جهات الاتصال ، وبدلاً من ذلك يعاد تجميعها في مواقع الفخ أو البقاء في الجهاز كرسوم فضائية غير مرغوب فيها تعارض تدفق ناقلات جديدة. يمكن أن تحدث هذه المشكلة الأخيرة في حالة عدم مطابقة الإلكترونات والحفرة. في هذه الحالة ، فإن الشحن الضوئي المحدود (SCLP) يحد من أداء الجهاز.

يمكن تصنيع الخلايا الكهروضوئية العضوية باستخدام بوليمر نشط ومستقبل إلكترون فوليرين. إن إضاءة هذا النظام بالضوء المرئي تؤدي إلى نقل الإلكترون من البوليمر إلى جزيء فوليرين. ونتيجة لذلك ، يحدث تشكيل جسيم quasiparticle ، أو polaron (P +) ، على سلسلة البوليمر ، ويصبح الفوليرين أنيونًا جذريًا (C−)
60). يتميز Polarons بالحركة العالية ويمكن أن ينتشر بعيدًا.

أنواع التقاطع
يتميز أبسط جهاز PV العضوي بوجود اختلاف هنغاري مستوٍ. يتم وضع طبقة من مادة عضوية نشطة (بوليمر أو جزيء صغير) ، من نوع مستقبِل إلكترون أو متبرع إلكترون بين جهات الاتصال. قد تنتشر excitons التي تم إنشاؤها في المادة النشطة قبل إعادة الترابط و منفصلة ، ثقب وإلكترون تنتشر إلى القطب الكهربائي الخاص به جمع. ولأن ناقلات الشحنة لها أطوال انتشار من 3 إلى 10 نانومتر فقط في أشباه الموصلات العضوية غير المتبلورة ، يجب أن تكون الخلايا المستوية رقيقة ، ولكن الخلايا الرقيقة تمتص الضوء بشكل أقل. تعالج الهيمونات السائبة (BHJ) هذه العيوب. في BHJ ، يتم صب مزيج من مواد المتبرع والمتبرع بالإلكترون كمزيج ، والذي يفصل بعد ذلك الطور. يتم فصل مناطق كل مادة في الجهاز بعدد عدة نانومترات فقط ، وهي مسافة مناسبة لنشر الموجة الحاملة. BHJs تتطلب مراقبة حساسة على مورفولوجيا المواد على المقياس النانوي. وتشمل المتغيرات الهامة المواد والمذيبات ونسبة وزن المتبرع به.

الخطوة المنطقية التالية إلى ما بعد BHJs تُطلب المواد النانوية للخلايا الشمسية ، أو أمرت بالتعايش (OHJs). يقلل OHJs من التقلبات المرتبطة بـ BHJs. OHJs عموما هي الهجينة من المواد غير العضوية المطلوبة والمناطق النشطة العضوية. على سبيل المثال ، يمكن ترسيب بوليمر فلطائي ضوئي في مسام في خزف مثل TiO2. بما أن الثقوب لا تزال يجب أن تنشر طول المسام عبر البوليمر إلى جهة اتصال ، فإن OHJ تعاني من قيود سمك مماثلة. تخفيف عنق الزجاجة ثقب التنقل هو المفتاح لزيادة تعزيز أداء الجهاز من OHJ.

طبقة واحدة
الخلايا الكهروضوئية العضوية ذات الطبقة الواحدة هي أبسط أشكالها. تصنع هذه الخلايا من خلال وضع طبقة من المواد الإلكترونية العضوية بين اثنين من الموصلات المعدنية ، وعادة ما تكون طبقة من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) مع وظيفة عمل عالية وطبقة من وظيفة معدنية منخفضة الأداء مثل الألومنيوم أو المغنيسيوم أو الكالسيوم. الهيكل الأساسي لمثل هذه الخلية هو موضح في.

يعمل اختلاف وظيفة العمل بين الموصلات اثنين على إنشاء حقل كهربائي في الطبقة العضوية. عندما تمتص الطبقة العضوية الضوء ، سوف يتم تحفيز الإلكترونات إلى LUMO وترك ثقوب في HOMO ، وبالتالي تشكيل excitons. إن الإمكانات الناتجة عن وظائف العمل المختلفة تساعد على تقسيم أزواج exciton ، وسحب الإلكترونات إلى القطب الموجب (موصل كهربائي يستخدم لإجراء اتصال مع جزء غير معدني من دائرة) وثقوب في القطب السالب.

متغايرة التردد
يتم خلط متبرع الإلكترون والمقبل بطريقة تجعل التدرج تدريجيًا. تجمع هذه العمارة بين المسافة القصيرة لمسافة الإلكترون في التجانس المتغاير مع ميزة تدرج الشحنة في تكنولوجيا الطبقة الثنائية.

وصلة مستمرة
ويشبه مفهوم الوصل المتواصل ، المماثل للتداخل المتغاير المتدرج ، تحقيق انتقال تدريجي من متبرع إلكترون إلى مستقبِل إلكترون. ومع ذلك ، يتم تحضير المادة المقبولة مباشرة من البوليمر المتبرع في خطوة تعديل ما بعد البلمرة.

إنتاج
نظرًا لأن طبقته النشطة تحدد كفاءة الجهاز إلى حد كبير ، فإن مورفولوجيا هذا المكون تلقى الكثير من الاهتمام.

إذا كانت إحدى المواد أكثر قابلية للذوبان في المذيبات من الأخرى ، فإنها ستودع أولاً فوق الطبقة التحتية ، مما يتسبب في تدرج التركيز خلال الفيلم. وقد ثبت ذلك بالنسبة لثلاثي-هيكسيل ثيوفين (P3HT) ، وأكسيد الميثيل فينيل C61-butyric (PCBM) الأجهزة حيث تميل PCBM إلى أن تتراكم نحو أسفل الجهاز عند تدور الغلاف من حلول ODCB. يُنظر إلى هذا التأثير لأن المزيج الأكثر قابلية للذوبان يميل إلى الهجرة نحو الطور “الغني بالمذيب” أثناء إجراء الطلاء ، مما يؤدي إلى تراكم المكون الأكثر قابلية للذوبان في اتجاه قاع الفيلم ، حيث يظل المذيب أطول. يؤثر سمك الفيلم الناتج على فصل الأطوار لأن ديناميكية التبلور والتهطال تختلف عن الحلول الأكثر تركيزًا أو معدلات التبخر السريعة (اللازمة لبناء أجهزة أكثر سمكًا). لا يمكن أن يتحقق تخصيب البلورة P3HT الأقرب إلى قطب جمع الثقب إلا لطبقات P3HT / PCBM الرقيقة نسبياً (100 نانومتر).

ثم يتم إنشاء التدرجات في مورفولوجيا الأولية أساسا من معدل تبخير المذيبات والاختلافات في القابلية للذوبان بين المتبرع والمقبل داخل المزج. وقد ثبت هذا الاعتماد على الذوبان بوضوح باستخدام مشتقات الفوليرين و P3HT. عند استخدام المذيبات التي تتبخر بمعدل أبطأ (مثل كلورو بنزين (CB) أو ثنائي كلورو بنزين (DCB)) ، يمكنك الحصول على درجات أكبر من الفصل الرأسي أو التجميع في حين أن المذيبات التي تتبخر بشكل أسرع تنتج انفصالًا رأسيًا أقل فعالية بكثير. يجب أن تؤدي التدرجات الكبيرة للذوبان إلى فصل رأسي أكثر فعالية بينما يجب أن تؤدي التدرجات الأصغر إلى أفلام أكثر تجانسا. تم التحقق من هذين التأثيرين على P3HT: خلايا شمسية PCBM.

تمت دراسة سرعة تبخر المذيب وكذلك بخار المذيب الخلفي أو إجراءات التلدين الحراري. يمزج مثل P3HT: يبدو أن PCBM يستفيد من إجراءات التلدين الحرارية ، في حين أن البعض الآخر ، مثل PTB7: PCBM ، يبدو أنه لا يظهر أي فائدة. في P3HT يبدو أن الفائدة تأتي من زيادة في تبلور طور P3HT الذي يتولد عن طريق طرد جزيئات PCBM من داخل هذه المجالات. وقد تجلى ذلك من خلال دراسات امتزاج PCBM في P3HT وكذلك تغييرات تكوين المجال كدالة في أوقات التلدين.

لا تفسر الفرضية السابقة المستندة إلى عدم قابليتها للخلط بشكل كامل كفاءة الأجهزة حيث أن أطوار غير متبلورة نقية من مواد مانحة أو متقبلة لا توجد أبداً ضمن أجهزة غير متجانسة. اقترحت ورقة عام 2010 أن النماذج الحالية التي تفترض أن المراحل الصافية والواجهات المنفصلة قد تفشل بسبب غياب المناطق غير المتبلورة النقية. بما أن النماذج الحالية تفترض فصل الطور عند السطوح البينية دون أي اعتبار لنقاوة الطور ، فقد تحتاج النماذج إلى تغيير.

يختلف إجراء التلدين الحراري اعتمادًا على ما يتم تطبيقه بالضبط. بما أن هجرة الأنواع الرأسية يتم تحديدها جزئياً بواسطة التوتر السطحي بين الطبقة النشطة والهواء أو طبقة أخرى ، فإن التلدين قبل أو بعد ترسب طبقات إضافية (غالباً ما يكون الكاثود المعدني) يؤثر على النتيجة. في حالة P3HT: يتم تحسين هجرة الخلايا الرأسية PCBM عندما يتم تلدين الخلايا بعد ترسب الكاثود المعدني.

قد يكون تراكم الجهات المانحة أو المستقبلين بجوار الطبقات المجاورة مفيدًا لأن هذه التراكمات يمكن أن تؤدي إلى آثار ثقب أو إلكترون والتي قد تفيد أداء الجهاز. في عام 2009 ، ظهر الفرق في التوزيع الرأسي على P3HT: الخلايا الشمسية PCBM لتسبب مشاكل في حركة الإلكترون والتي تنتهي مع إنتاج كفاءات الجهاز سيئة للغاية. تغييرات بسيطة على بنية الجهاز – تدور طلاء طبقة رقيقة من PCBM أعلى P3HT – إلى حد كبير تعزيز استنساخ الخلية ، من خلال توفير فصل الرأسي استنساخه بين مكونات الجهاز. بما أن الاتصال العالي بين ثنائي الفينيل متعدد الكلور والكاثود مطلوب لتحقيق كفاءات أفضل ، فإن هذا يؤدي إلى زيادة إمكانية إعادة إنتاج الجهاز إلى حد كبير.

وفقاً لتحليل الانتثار النيوتروني ، وصفت P3HT: خلائط PCBM بأنها “أنهار” (مناطق P3HT) تنقطع بواسطة “تيارات” (مناطق PCBM).

آثار المذيبات
تؤثر شروط طلاء الدوران والتبخر على كفاءة الجهاز. المذيبات والمواد المضافة تؤثر على مورفولوجيا المتلقي المانحين. إضافات تبطئ تبخر ، مما يؤدي إلى مزيد من البوليمرات البلورية وبالتالي تحسين توصيلات الكفاءة والكفاءات. تشمل الإضافات النموذجية 1،8-octanedithiol و ortho-dichlorobenzene و 1،8-diiodooctane (DIO) و nitrobenzene. يعزى تأثير DIO إلى الإذابة الانتقائية لمكونات PCBM ، وتعديل الأساس متوسط ​​المسافة التنقل للإلكترونات ، وبالتالي يحسن حركة الإلكترون. يمكن أن تؤدي الإضافات أيضًا إلى زيادات كبيرة في كفاءة البوليمرات. بالنسبة للخلايا الشمسية HXS-1 / PCBM ، ارتبط التأثير بتوليد الشحنة والنقل واستقرار الرف. كما تستفيد البوليمرات الأخرى مثل PTTBO بشكل كبير من DIO ، وتحقق قيم PCE بأكثر من 5٪ من حوالي 3.7٪ بدون الإضافات.

الخلايا الشمسية البوليمرية المصنعة من الكلورونوفثالين (CN) كمذيب مشترك يتمتع بكفاءة أعلى من تلك المصنعة من محلول الكلور بنزين الأكثر تقليدية. ويرجع ذلك إلى تغير مورفولوجيا المتبرع المتلقي ، مما يقلل من فصل الطور بين البوليمر المتبرع والفوليرين. ونتيجة لذلك ، فإن هذا يترجم إلى حركات عالية الثقب. بدون مذيبات مشتركة ، نطاقات كبيرة من شكل الفوليرين ، يقلل من الأداء الكهروضوئي للخلية نتيجة لتجميع البوليمر في المحلول. هذا مورفولوجيا ينشأ من فصل السائل السائل المرحلة أثناء التجفيف. حل التبخر يتسبب في دخول المزيج إلى منطقة العرق (spinodal) ، حيث توجد تقلبات حرارية كبيرة. تمنع المجالات الكبيرة الإلكترونات من جمعها بكفاءة (تقليل نفقات الاستهلاك الشخصي).

يمكن أن تؤدي الاختلافات الصغيرة في بنية البوليمر أيضًا إلى تغييرات كبيرة في تغليف البلور الذي يؤثر حتمًا على مورفولوجيا الجهاز.يختلف PCPDTBT عن PSBTBT بسبب الاختلاف في سد ذرة بين البوليمرات اثنين (C مقابل سي) ، مما يعني أن أفضل مورفولوجيات قابلة للتحقيق مع PCPDTBT: خلايا PCBM الشمسية التي تحتوي على مواد مضافة في مقابل نظام Si الذي يحقق مورفولوجيات جيدة دون مساعدة من مواد إضافية.

الخلايا ذاتية التجميع
تمت دراسة كيمياء supoleolecular ، باستخدام جزيئات المانحة والمقبلة التي تتجمع عند الصب سبين والتسخين. توظف معظم الجمعيات supramolecular جزيئات صغيرة. مجالات المرن والمتقبل في بنية أنبوبي تبدو مثالية للخلايا الشمسية العضوية.

البوليمرات Diblock التي تحتوي على الفوليرين إنتاجية الخلايا الشمسية العضوية الثابتة على التلدين الحراري. الخلايا الشمسية مع مورفولوجيات مصممة مسبقا عندما يتم إدخال التفاعلات supramolecular المناسبة.

التقدم في BCPs التي تحتوي على مشتقات polythiophene تنتج الخلايا الشمسية التي تتجمع في شبكات محددة بشكل جيد. هذا النظام يحمل PCE من 2.04 ٪. يرشد الترابط الهيدروجيني التشكل.

لم تتجاوز كفاءة الأجهزة المستندة إلى مقاربات البوليمر المشترك حاجز٪ 2 ، في حين أن أجهزة التجميع السائبة تظهر كفاءات & gt؛ 7٪ في تكوينات الوصلة الفردية.

تم استخدام copolymers كتلة لفائف قضيب مطعمة الفوليرين لدراسة تنظيم المجال.

توفر المقارنات الفائقة الجزيئات للخلايا الشمسية العضوية فهمًا حول قوى الجزيئات الضخمة التي تدفع فصل المجال.

خلايا البوليمر تحت الحمراء
الخلايا بالأشعة تحت الحمراء تفضل امتصاص الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء بدلا من الأطوال الموجية المرئية. اعتبارا من عام 2012 ، يمكن جعل هذه الخلايا ما يقرب من 70 ٪ شفافة للضوء المرئي. يزعم أن الخلايا يمكن أن تكون في حجم كبير بتكلفة منخفضة باستخدام معالجة الحل. يمكن استخدام خلايا البوليمر بالأشعة تحت الحمراء كمكونات إضافية للإلكترونيات المحمولة والنوافذ الذكية والخلايا الكهروضوئية المدمجة. تستخدم الخلايا أفلام الفضة النانوية / ثاني أكسيد التيتانيوم المركب كقطب علوي كهربائي ، لتحل محل الأقطاب المعدنية المعتمة التقليدية. مع هذه المجموعة ، تم تحقيق كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 4٪.

كفاءة تحويل الطاقة
واحدة من القضايا الرئيسية المحيطة بالخلايا الشمسية البوليمر هي انخفاض كفاءة تحويل الطاقة (PCE) للخلايا الملفقة. ولكي تكون PSCs قابلة للتطبيق التجاري ، يجب أن تكون قادرة على تحقيق كفاءة تتراوح من 10 إلى 15٪ على الأقل – وهذا بالفعل أقل بكثير من PVs غير العضوية. ومع ذلك ، وبفضل التكلفة المنخفضة للخلايا الشمسية البوليمر ، فإن الكفاءة بنسبة 10-15٪ قابلة للتطبيق تجارياً.

PCE (η) يتناسب مع منتج تيار الدائرة القصيرة (JSC) ، جهد الدائرة المفتوحة (VOC) ، وعامل التعبئة (FF).

حيث Pin هو الحادث الطاقة الشمسية. وقد نتج عن التطورات الحديثة في أداء الخلايا الشمسية البوليمر من ضغط فجوة الحزمة لتعزيز تيار الدائرة القصيرة في حين خفض المستوى المداري الجزيئي الأعلى (HOMO) لزيادة جهد الدائرة المفتوحة. ومع ذلك ، لا تزال شركات الخدمات العامة تعاني من انخفاض عوامل التعبئة (عادة ما تكون أقل من 70٪). ومع ذلك ، واعتبارًا من عام 2013 ، تمكن الباحثون من إنشاء شركات إنتاج طاقة مؤقتة مع عوامل تعبئة تزيد عن 75٪. تمكن العلماء من تحقيق ذلك من خلال BHJ المقلوب وباستخدام تركيبات المانحين / المتلقي غير التقليدية.

تسويق
لا يزال على الخلايا الشمسية البوليمرية أن تتنافس تجارياً مع خلايا السليكون الشمسية وخلايا أخرى ذات غشاء رقيق. الكفاءة الحالية للخلايا الشمسية البوليمر تقع بالقرب من 10 ٪ ، أقل بكثير من خلايا السيليكون. الخلايا الشمسية البوليمر تعاني أيضا من التدهور البيئي ، وتفتقر إلى طلاءات واقية فعالة.

هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات في الأداء لتعزيز نشر حاملة الشحنة ؛ يجب تعزيز النقل من خلال التحكم في النظام والمورفولوجيا ؛ويجب تطبيق هندسة الواجهة لمشكلة نقل الشحنة عبر واجهات.

ويجري البحث في استخدام البنية الترادفية من أجل زيادة كفاءة الخلايا الشمسية البوليمر. على غرار العمارة الترادفية غير العضوية ، من المتوقع أن تزيد المعمارية الترادفية العضوية من الكفاءة. بالمقارنة مع جهاز التوصيل المفرد باستخدام مواد ذات فجوة نطاق منخفضة ، يمكن للبنية الترادفية أن تقلل من فقدان الحرارة أثناء تحويل الفوتون إلى الإلكترون.

لا تنتج الخلايا الشمسية البوليمر على نطاق واسع تجاريا. بدءًا من عام 2008 ، بدأت شركة Konarka Technologies في إنتاج الخلايا الشمسية-بوليمر-فوليرين. كانت الوحدات الأولية فعالة بنسبة 3 إلى 5٪ ، ولا تدوم إلا لبضع سنوات. ومنذ ذلك الحين ، تقدم كوناركا بطلب لإشهار الإفلاس ، حيث لم تتمكن تلك الخلايا الشمسية البوليمرية من اختراق سوق الخلايا الكهروضوئية.

نمذجة الخلايا الشمسية العضوية
كما نوقش أعلاه ، أشباه الموصلات العضوية هي مواد غير مضبوطة بدرجة عالية بدون ترتيب بعيد المدى. وهذا يعني أن نطاق التوصيل وحواف نطاق التكافؤ غير محددة بشكل جيد. علاوة على ذلك ، هذا الاضطراب الجسدي والحيوي يولّد حالات مصيدة يمكن أن تصبح فيها الإلكترونات والفوهات المكسورة محاصرين ثم تترابط في النهاية.

إن مفتاح وصف الخلايا الشمسية العضوية بدقة في طراز الجهاز هو تضمين محاصرة الناقل وإعادة التركيب عبر حالات المصائد. منهج شائع الاستخدام هو استخدام نموذج متوسط ​​فعال ، حيث يتم استخدام معادلات الانتشار الانجراف القياسي لوصف النقل عبر الجهاز. ثم يتم إدخال ذيل أسي من حالات المصيدة التي تتحلل في فجوة النطاق من حواف التنقلية. لوصف الالتقاط / الهروب من هذه المصائد ، يمكن استخدام Shockley – Read-Hall (SRH). وقد أظهرت آلية Shockley-Read-Hall قادرة على إعادة إنتاج البوليمر: سلوك الجهاز fullerene في كل من المجال الزمني والحالة الثابتة.

التحديات الحالية والتقدم الأخير
تشمل الصعوبات المصاحبة للخلايا الفولتية الضوئية العضوية كفاءتها الكمومية الخارجية المنخفضة (حتى 70٪) مقارنة بالأجهزة الضوئية غير العضوية ، على الرغم من وجود كفاءة كمية داخلية جيدة ؛ ويرجع ذلك إلى عدم كفاية الامتصاص مع الطبقات النشطة بترتيب 100 نانومتر. يمكن أن تؤدي أيضًا حالات عدم الاستقرار ضد الأكسدة والاختزال وإعادة التبلر والتغيرات في درجة الحرارة إلى تدهور الجهاز وانخفاض الأداء بمرور الوقت. يحدث هذا لنطاقات مختلفة للأجهزة ذات التراكيب المختلفة ، وهي منطقة يجري فيها بحث نشط.

وتشمل العوامل الهامة الأخرى طول نشر exciton ، فصل الشحنات وجمع الرسوم التي تتأثر بوجود الشوائب.

التنقل الناقل الشحن والنقل
خاصة بالنسبة للخلايا الشمسية غير المتجانسة السائبة ، فهم نقل الحامل الشحنة أمر حيوي في تحسين كفاءات الخلايا الكهروضوئية العضوية.في الوقت الحالي ، تتميز الأجهزة غير المتجانسة السائبة بحركة ناقلة للشحنات غير المتوازنة ، حيث يكون قابلية الحفرة على الأقل أقل قوة من حركة الإلكترون ؛ يؤدي هذا إلى تراكم شحن مساحة وانخفاض في عامل التعبئة وكفاءة محادثة الطاقة لجهاز. نظرًا لوجود حركة منخفضة ، يجب تصميم الخلايا الكهروضوئية غير المتجانسة الفعالة مع طبقات نشطة رقيقة لتجنب إعادة تركيب حاملات الشحنة ، مما يضر بالامتصاص وإمكانية التوسع في المعالجة. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه من أجل الحصول على خلية شمسية غير متجانسة مع عامل تعبئة فوق 0.8 وكفاءة كمية خارجية أعلى من 90٪ ، يجب أن يكون هناك تحرك متوازن لمشغل الحامل لتقليل تأثير شحن المساحة ، وكذلك زيادة في شحن الشحنة التنقل و / أو انخفاض في معدل إعادة اتحاد ثنائي الجزيئات ثابت.

تأثير مورفولوجيا الفيلم
كما هو موصوف أعلاه ، فإن المواد المتغايرة المتغايرة للمواد العضوية المتوافقة مع المانحين لها كفاءات كمية عالية مقارنة مع الوصلة غير المتجانسة المستوية ، لأنه في حالات التبادل المتغاير المتفرقة يكون من المرجح أكثر أن يجد exciton واجهة في طول انتشاره. يمكن أن يكون للتشكيل السينمائي تأثيرًا كبيرًا على الكفاءة الكمية للجهاز. يمكن للأسطح الخشنة ووجود الفراغات أن تزيد من مقاومة السلسلة وكذلك فرصة قصر الدائرة. شكل مورفولوجيا الفيلم ، ونتيجة لذلك ، يمكن تحسين كفاءة الكم عن طريق التلدين من الجهاز بعد تغطيتها من قبل الكاثود المعدني 1000 ~ سميكة. يطبق الفيلم المعدني على الجزء العلوي من الفيلم العضوي ضغوطًا على الفيلم العضوي ، مما يساعد على منع الاسترخاء المورفولوجي في الفيلم العضوي. وهذا يعطي المزيد من الأفلام ذات الكثافة العالية ، وفي الوقت نفسه يسمح بتكوين واجهة متقبل مانح للمنافذ منفصل الفصل في الجزء الأكبر من الأغشية الرقيقة العضوية.

السيطرة على النمو غير المتجانس
يحدث فصل الشحن في واجهة المتلقي المانح. أثناء السفر إلى القطب ، يمكن أن تصبح الشحنة عالقة و / أو recombine في مادة عضوية متداخلة غير قابلة للاختراق ، مما يؤدي إلى تقليل كفاءة الجهاز. يوفر النمو المتحكم في عملية التجميع المتغاير تحكمًا أفضل في مواضع المواد المتوافقة مع المتبرع ، مما يؤدي إلى كفاءة طاقة أكبر بكثير (نسبة طاقة الخرج إلى طاقة الإدخال) من تلك الخاصة بالمستويات غير المتجانسة (كما هو موضح في). وبالتالي ، فإن اختيار معايير المعالجة المناسبة من أجل تحسين السيطرة على هيكل ومظهر الفيلم مرغوب فيه للغاية.

التقدم في تقنيات النمو
يتم ترسيب معظم الأفلام العضوية للتطبيقات الضوئية عن طريق طلاء الدوران وترسب المرحلة البخارية. وعلى الرغم من أن كل طريقة لها بعض السحب ، فإن تقنية طلاء السبين يمكن أن تغطي مساحات أكبر من السطح بسرعة عالية ولكن استخدام المذيب لطبقة واحدة يمكن أن يؤدي إلى تدهور طبقة البوليمر الموجودة بالفعل. وترتبط مشكلة أخرى مع الزخرفة من الركيزة للجهاز نتيجة لطلاء تدور في طلاء الركيزة بأكملها مع مادة واحدة.

التبخر الحراري الفراغي
تقنية الترسيب الأخرى هي التبخير الحراري الفراغي (VTE) الذي يتضمن تسخين مادة عضوية في الفراغ. يتم وضع الركيزة على بعد عدة سنتيمترات من المصدر بحيث يتم ترسيب المواد المبخرة مباشرة على الركيزة ، كما هو موضح في. هذه الطريقة مفيدة لإيداع طبقات كثيرة من مواد مختلفة دون تفاعل كيميائي بين طبقات مختلفة. ومع ذلك ، هناك مشاكل في بعض الأحيان مع توحيد سمك الفيلم وتهمة المنشطات على ركائز منطقة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمواد التي تودع على جدار الغرفة تلوث الترسبات في وقت لاحق. يمكن لهذه التقنية “خط البصر” أيضا خلق ثقوب في الفيلم بسبب التظليل ، والذي يسبب زيادة في المقاومة سلسلة الجهاز وقصيرة.

ترسب المرحلة الغازية العضوية
يسمح ترسيب مرحلة البخار العضوي (OVPD ،) بتحكم أفضل في بنية ومورفولوجيا الفيلم من التبخر الحراري الفراغي. تتضمن العملية تبخر المادة العضوية فوق طبقة أساس في وجود غاز حامل خامل. يمكن ضبط مورفولوجيا الفيلم الناتج عن طريق تغيير معدل تدفق الغاز ودرجة حرارة المصدر. يمكن أن تزرع الأفلام المنتظمة عن طريق تقليل ضغط الغاز الحامل ، والذي سيزيد من السرعة ويعني المسار الحر للغاز ، ونتيجة لحدوث انخفاض في سمك الطبقة الحدودية. الخلايا التي تنتجها OVPD لا تعاني من مشاكل متعلقة بالملوثات من الرقاقات الخارجة من جدران الغرفة ، حيث أن الجدران دافئة ولا تسمح للجزيئات بالالتصاق وإنتاج فيلم عليها.

ميزة أخرى على VTE هي التوحيد في معدل التبخر. يحدث هذا لأن الغاز الحامل يصبح مشبعًا بأبخرة المواد العضوية الخارجة من المصدر ومن ثم يتحرك نحو الركيزة المبردة ، الشكل 6 (ب). اعتمادًا على معايير النمو (درجة حرارة المصدر وضغط القاعدة وتدفق الغاز الحامل) يمكن للفيلم المودع أن يكون متبلورًا أو غير متبلور في طبيعته. تظهر الأجهزة المصنعة باستخدام OVPD كثافة تيار دائرة قصر أعلى أعلى من تلك التي تستخدمها الأجهزة باستخدام VTE. قد تؤدي طبقة إضافية من الوصلة غير المتجانسة للمانحين في الجزء العلوي من الخلية إلى منع الأكسيتونات ، مع السماح بتوصيل الإلكترون. مما أدى إلى تحسين كفاءة الخلايا.

الحبر الشمسي العضوي
الحبر الشمسي العضوي قادر على توفير أداء أعلى في ظروف الإضاءة الفلورسنت بالمقارنة مع الخلايا الشمسية السليكونية غير المتبلورة ، ويقال إن لديه زيادة في كثافة الطاقة الداخلية بنسبة 30٪ إلى 40٪ بالمقارنة مع تكنولوجيا الطاقة الشمسية العضوية القياسية.

محاصرة الضوء
يتم تطبيق أنواع مختلفة من المكونات لزيادة تأثيرات الاصطياد الضوئي (الضوء في اقتران) في الخلايا الشمسية العضوية الرقيقة. بالإضافة إلى مرونة الخلايا الشمسية العضوية ، باستخدام أقطاب مرنة وركائز بدلاً من ITO وزجاج على التوالي ، يمكن إنتاج خلايا شمسية عضوية مرنة بالكامل. من خلال هذه الاستخدامات للركائز والركائز المرنة ، يتم تقديم طرق أسهل لتوفير تأثيرات ملائمة للضوء إلى OPVs مثل إلكترودات بوليمر مع جسيمات نثرية مدمجة ، أقطاب بوليمرية مطبوع نانو ، ركائز PET مزخرفة ، وحتى أفلام عرض بصرية تجارية لشاشات الكريستال السائل (LCD) كما ركائز. سيتم إجراء الكثير من الأبحاث لتحسين أداء OPVs مع ميزة سهولة معالجة هياكل محبس الضوء.

استخدام في الضوئية الترادفية
وقد أجريت الأبحاث والدراسات الحديثة في استخدام الخلايا الشمسية العضوية كخلية عليا في كومة الخلايا الشمسية الترادفية الهجين. نظرًا لأن الخلايا الشمسية العضوية لها فجوة نطاق أعلى من الفجوات الكهروضوئية التقليدية غير العضوية مثل السيليكون أو CIGS ، فإنها تستطيع امتصاص فوتونات طاقة أعلى دون أن تفقد الكثير من الطاقة بسبب الحرارة ، وبالتالي تعمل في جهد كهربائي أعلى. إن الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة والفوتونات ذات الطاقة الأعلى غير القابلة للامتصاص تمر عبر الخلية الشمسية العضوية العليا ثم يتم امتصاصها بواسطة الخلية غير العضوية السفلية. كما أن الخلايا الشمسية العضوية قابلة للتنفيذ في درجات حرارة منخفضة بتكلفة منخفضة قدرها 10 دولارات للمتر المربع ، مما يؤدي إلى خلية أعلى قابلة للطباعة تعمل على تحسين الكفاءة العامة لتقنيات الخلايا الشمسية غير العضوية القائمة. لقد تم إجراء الكثير من الأبحاث لتمكين تكوين مثل هذه المجموعة الهجين من الخلايا الشمسية الترادفية ، بما في ذلك البحث في ترسيب الأقطاب الكهربائية شبه الشفافة التي تحافظ على مقاومة التلامس المنخفضة مع شفافية عالية.