Obecny rynek fotowoltaiczny zdominowany jest przez klasyczne ogniwa krzemowe, z roku na rok coraz silniejszą pozycję zdobywają cienkowarstwowe ogniwa II generacji.

Na horyzoncie pojawia się jednak zupełnie nowa technologia. Coraz więcej laboratoriów i koncernów pracuje nad przygotowaniem i wdrożeniem do masowej produkcji organicznych ogniw fotowoltaicznych. Czy uda im się zaistnieć na rynku energetyki słonecznej i zmienić jego oblicze?

Czym są ogniwa organiczne?

Organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV) to urządzenia zbudowane ze związków organicznych, czyli takich, które w swoim składzie zawierają atomy węgla (prócz tlenków węgla, kwasu węglowego, węglanów, wodorowęglanów). Fotowoltaika organiczna do budowy ogniw wykorzystuje polimery oraz małe organiczne molekuły zdolne do absorpcji promieniowania słonecznego oraz przewodzenia energii elektrycznej. W swej budowie i właściwościach fizykochemicznych ogniwa organiczne przypominają powszechnie stosowany plastik. Dzięki temu proces ich produkcji jest szybki i tani. Przy wykorzystaniu inżynierii molekularnej skład związków organicznych może być łatwo zmieniany, dostosowując właściwości polimerów do aktualnych potrzeb. Niestety, mimo licznych zalet, obecnie produkowane ogniwa organiczne charakteryzują się niską sprawnością, małą stabilnością pracy i krótkim okresem żywotności.

Ogniwa o pojedynczej warstwie organicznego półprzewodnika

Najprostsze ogniwo organiczne zbudowane jest z pojedynczej warstwy półprzewodnika organicznego znajdującego się między dwoma elektrodami (rys. 1). Górna elektroda musi mieć zdolność doskonałego przewodzenia światła, zazwyczaj jest zbudowana z ITO (mieszanina 90% In2O3, 10% SnO2). Dolna elektroda zbudowana jest zazwyczaj z metali dobrze przewodzących energię elektryczną. Zasada działania tego typu ogniwa jest bardzo prosta. W ogniwach organicznych odpowiednikiem wartości przerwy energetycznej półprzewodnika jest różnica pomiędzy energiami orbitali HOMO (ang. Highest Occupied Molecular Orbital) i LUMO (ang. Lowest Unoccupied Molecular Orbital). HOMO odpowiada pasmu walencyjnemu półprzewodnika, z kolei LUMO to pasmo przewodzenia półprzewodnika. W wyniku absorpcji promieniowania słonecznego przez aktywną warstwę półprzewodnika elektrony ulegają wzbudzeniu i wchodzą w pasmo przewodzenia orbitalu LUMO. Jednocześnie w orbitalu HOMO pozostają dziury „posiadające” ładunek dodatni. Powstały układ elektron – dziura jest zdolny do wykonania pracy. Jak w każdym ogniwie fotowoltaicznym, elektrony poruszają się w kierunku elektrody dodatniej, a dziury w kierunku elektrody ujemnej. Pierwsze ogniwo tego typu zostało zbudowane już w roku 1958 i miało sprawność zaledwie 0,01%. Niestety mimo wielu lat pracy nad ogniwami z pojedynczą warstwą półprzewodnika organicznego nie uzyskano zadowalających wyników i nawet obecnie sprawność tego typu ogniw nie przekracza 0,1%.

 przykłady wykorzystania organicznych ogniw

 Ogniwa o podwójnej warstwie organicznego półprzewodnika

W tym typie ogniwa organicznego pomiędzy elektrodami można wyszczególnić dwie odmienne warstwy aktywnego półprzewodnika (rys. 2). Mają one różne zdolności przyłączania elektronów i tworzenia jonów. Z uwagi na różnice fizyko-chemiczne, między warstwami powstaje siła elektrostatyczna. Warstwa, która posiada większą zdolność do przyłączania elektronów i tworzenia jonów ujemnych, jest warstwą akceptorową, czyli odpowiada złączu typu N w klasycznym ogniwie. Warstwa, która ma mniejszą zdolność do przyłączania elektronów i tworzenia jonów ujemnych, jest warstwą donorową, czyli odpowiada złączu typu P w klasycznym ogniwie. Ogniwa zbudowane z dwóch różnych warstw półprzewodników organicznych charakteryzują się wyższą sprawnością niż ogniwa o warstwie pojedynczej. Niestety osiągane efektywności ciągle są znacznie poniżej akceptowanego przez rynek poziomu i zazwyczaj nie przekraczają 1%.

 Bogdan Szymański

Czytaj całość Globenergia 1/2011
okladka-1-2011Image31