Organiczne moduły jako odnawialny komponent instalacji PV

Z uwagi na wysokie ceny energii oraz coraz większą świadomość społeczeństwa na temat negatywnych skutków społeczno-zdrowotnych spalania paliw kopalnych, rośnie zainteresowanie fotowoltaiką oraz innymi odnawialnymi źródłami energii. Naukowcy nieustannie prowadzą prace nad nowymi technologiami i materiałami, które pozwolą na uzyskiwanie większych sprawności przez układy OZE. Jednym z obszarów badań są ogniwa OPV, czyli te pochodzenia organicznego. Czy to rozwiązanie jest lepsze w stosunku do klasycznych ogniw? W jaki sposób powstają? Sprawdzamy!

Dążąc do gospodarki zrównoważonej trzeba brać pod uwagę najbardziej naturalne źródła pozyskiwania surowców. Nie możemy uciekać od tego, że nawet technologie odnawialne wiążą się z emisją na etapie produkcji i transportu. W branży fotowoltaicznej jedną z odpowiedzi na to wyzwanie są ogniwa pochodzenia organicznego. Czym się one charakteryzują? 

Czym jest OPV?

OPV (ang. Organic Photovoltaic) to rodzaj ogniwa fotowoltaicznego, które zbudowane jest ze związków organicznych, to znaczy takich, których podstawowymi składnikami są atomy węgla i wodoru. Pod kątem właściwości fizykochemicznych organiczne ogniwa fotowoltaiczne przypominają plastik, co przekłada się na wiele zalet tej technologii.

Przewagi i ograniczenia organicznych ogniw PV

Podstawowymi zaletami ogniw są elastyczność i półprzezroczystość, które zwiększają pole ich stosowalności w porównaniu do ogniw krzemowych. Dodatkowo, szeroka gama materiałów, z których można wytwarzać OPV, pozwala na redukcję podaży i cen ogniw. Istotną wadą ogniw organicznych jest ich podatność na działanie wilgoci i tlenu. 

• Zobacz również: Duże i małe magazyny ciepła – jaka czeka je przyszłość?

Jak działa OPV?

W obecnie stosowanych ogniwach organicznych nie ma ścisłego podziału na dwie warstwy, z których jedna jest akceptorem, a druga donorem elektronów. Natomiast wykorzystywana jest technologia heterozłącza masowego, która polega na dokładnym wymieszaniu materiału donorowego i akceptorowego na poziomie nanoskali. W zależności od użytych materiałów można wyróżnić dwa typy modułów organicznych. Mogą one bazować na polimerach i molekułach.

Ogniwa OPV bazujące na polimerach wykorzystują układy o długich łańcuchach molekułów jako materiał dostarczający elektrony, np. P3HT, MDMO-PPV. Materiały będące donorami elektronów są zazwyczaj klasyfikowane według przerwy pasmowej. Przykładem donora o szerokiej przerwie pasmowej (> 1,8 eV) jest P3HT, średniej przerwy pasmowej (1,6-1,8 eV) - PCDTBT oraz wąskiej przerwie pasmowej (<1,6 eV) - PTB7.

Drugi z typów budowy OPV opiera się na molekułach, których zdolnością jest absorpcja w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni widma elektromagnetycznego. Materiały wykorzystujące molekuły są stosowane jako akceptory i wypierają dotychczas stosowane materiały fulerenowe, które charakteryzują się mniejszą absorpcją światła w zakresie widzialnym.

Technologia wytwarzania

Ze względu na swoją elastyczność OPV mogą być wytwarzane w technologii Roll to Roll. Jest to metoda nanoszenia powłok np. poprzez drukowanie i nakładanie na rolkę elastycznego materiału, a następnie nawijania na nową rolkę po zakończeniu procesu technologicznego w celu utworzenia rolki wyjściowej. Gotowy materiał może zostać przycięty do rozmiaru docelowego, analogicznie jak w przypadku tkanin. Technologia Roll to Roll pozwala na zwiększenie elastyczności produkcji i stopnia automatyzacji.

Z uwagi na swoje cechy, organiczne ogniwa fotowoltaiczne mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia, ich wykorzystanie jest ograniczone kreatywnością konstruktorów. Dalszy rozwój materiałów wykorzystywanych w OPV może przyczynić się do poprawy ich sprawności i żywotności. Dzięki temu ekologiczne będzie nie tylko wytwarzanie energii elektrycznej, ale i sam materiał, z którego zbudowane są ogniwa.

Źródło: Cordis, U.S. Departament of Energy, Ossila, GLOBENERGIA.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Justyna Mikusek