Recentemente, de vez em quando, eles falam sobre energia verde, suas fontes renováveis, bem como métodos de obtenção, armazenamento e uso. E isso é bastante lógico, porque a população do planeta está crescendo constantemente e as reservas de fontes de energia fóssil estão se esgotando rapidamente. Mais cedo ou mais tarde, pode chegar o momento em que toda a energia usada pelas pessoas será gerada pelo sol, vento, etc. Portanto, muitos pesquisadores estão empenhados em melhorar os existentes e criar novos métodos para coletar energia verde. Hoje damos uma olhada em um estudo no qual cientistas da Universidade de Michigan desenvolveram painéis solares transparentes (mais precisamente translúcidos). Do que foi criada essa tecnologia, qual é o princípio de seu funcionamento e os arranha-céus podem se tornar coletores eficientes de energia solar? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas.Ir.
Base de pesquisa
Os painéis solares já foram bastante raros, mas agora, felizmente, sua disponibilidade e popularidade aumentaram muito. Recentemente, eu estava passando por um edifício residencial na minha cidade e notei que suas paredes e telhado são totalmente cobertos por painéis solares. Isso me deixou igualmente surpreso, admirável e um mar de perguntas sobre eficiência, benefícios econômicos e muito mais. No entanto, este exemplo empírico mostra perfeitamente uma característica - os painéis foram instalados onde não interfeririam (ou seja, não em janelas).
Claro, existem campos inteiros de painéis solares cobrindo centenas de metros quadrados (ou até mais), mas em cidades densamente povoadas e, portanto, densamente construídas, há muito pouco espaço livre para este método de instalação. Alguém dirá: “se realmente quiséssemos energia verde e painéis solares, então haveria um lugar”. Eu concordo, mas a realidade ainda é diferente. Pode não haver muito espaço extra entre os arranha-céus, mas há muitas janelas, que podem se tornar coletores de energia solar.
De momento já existem vários desenvolvimentos na área dos painéis solares translúcidos, cuja eficiência chega a 7%. Semicondutores orgânicos desempenham um papel importante em seu desenvolvimento. Comparado com semicondutores inorgânicos, excitônicos estreitos *listras dentro de semicondutores orgânicos abrem novas possibilidades no campo de células fotovoltaicas orgânicas (doravante OPV para fotovoltaicos orgânicos ), uma vez que muitos compostos orgânicos absorvem luz seletivamente fora da faixa de comprimento de onda visível.
Exciton * - excitação eletrônica em um semicondutor, dielétrico ou metal, movendo-se através do cristal, mas não associada à transferência de carga elétrica e massa.A eficiência das células fotovoltaicas translúcidas (ST-OPV) de 7% pode agradar aos cientistas e pessoas que entendem a dificuldade de se chegar a um tal indicador com uma tecnologia tão fora do padrão, mas do ponto de vista dos benefícios econômicos, isso é muito pouco. Além disso, apenas uma pequena fração das ST-OPVs desenvolvidas atinge uma transparência visível de ∼50%, o que é crítico para muitas aplicações.
Portanto, para criar uma ST-OPV é necessário encontrar um equilíbrio entre a eficiência de captação de energia e um nível suficiente de transparência, o que não é uma tarefa fácil. Os cientistas acrescentam ainda que muitas das ST-OPVs já criadas têm um aspecto bastante inestético (cortina de vidro), o que também não contribui para a popularização desta tecnologia.
Até o momento, os ST-OPVs de cor neutra eficazes estão focados principalmente no uso de materiais com forte absorção de infravermelho próximo (NIR), incluindo estruturas de dispositivos de múltiplas junções para minimizar a perda de termização, revestimentos anti-reflexivos (ARC) ou refletores dielétricos aperiódicos (ADR) para aumentar absorção.
No trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas descrevem sua versão de ST-OPV, que atinge PCE = 10,8 ± 0,6% e APT = 45,7 ± 2,1%, o que leva a LUE = 5,0 ± 0,3.
PCE* — (power conversion efficiency);O dispositivo usa uma molécula de NFA (aceptor não bulereno) com alta absorção na faixa do infravermelho próximo, que requer apenas algumas etapas para sintetizar. Apesar do fato de que os NFAs têm estruturas em anel parcialmente covalentemente condensadas (ao invés de rígidas e completamente condensadas), fortes interações intermoleculares π - π e empacotamento molecular próximo foram observadas neles ( 1A ).
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
Imagem # 1
A combinação de materiais que absorvem luz na faixa do infravermelho próximo, estruturas de saída (saída de fótons do LED após geração) (OC do acoplamento externo ) na superfície de saída e eletrodos transparentes tornou possível alcançar o mesmo compromisso entre eficiência, transparência e estética.
O ST-OPV de cor neutra usando um ânodo de óxido de índio e estanho transparente (ITO de óxido de índio e estanho ) mostrou PCE = 8,1 ± 0,3%, APT = 43,3 ± 1,5% e LUE = 3,5 ± 0,1%. Os indicadores da passagem da luz pelo dispositivo foram os seguintes: índice de reprodução de cor (IRC) = 86; temperatura de cor correlacionada (CCT) = 4143 K; coordenadas cromáticas - (0,38, 0,39).
Resultados da pesquisa
A imagem 1A mostra as estruturas moleculares dos três NFAs testados, um dos quais (nomeadamente SBT-FIC) mostrou uma estrutura molecular totalmente fundida. Os outros dois NFAs (A078 e A134) com núcleos parcialmente fundidos são isômeros SBT-FIC contendo quatro tiofenos, dois ciclopentadienos e um anel de benzeno.
Uma das principais diferenças entre os três NFAs é a complexidade da síntese. Fazer SBT-FIC requer 10 etapas de síntese, enquanto fazer A078 e A134 leva apenas 4 a 6 etapas. Além disso, A078 e A134 são atraentes por seu rendimento relativamente alto, bem como materiais menos tóxicos e mais baratos para síntese.
Os espectros de absorção de NFA na faixa de UV-visível são mostrados em 1B e 1C... Surpreendentemente, os filmes finos A078 e A134 mostram mudanças batocrômicas significativas * ~ 135 nm em comparação com SBT-FIC com um pico de absorção em λmax = 900 nm.
Mudança batocrômica * - mudança da banda espectral para a região de onda longa sob a influência de substituintes ou mudanças no ambiente.A voltametria cíclica das moléculas de NFA mostrou que para SBT-FIC as energias do orbital molecular mais ocupado * (HOMO) e do orbital molecular vazio mais baixo (LUMO) foram EH = -5,81 (± 0,02) e EL = -4,15 (± 0,03) eV. Para A078, os índices foram 5,58 (± 0,02) e -4,06 (± 0,03) eV. E para A134: -5,54 (± 0,02) e -4,05 (± 0,03) eV.
* — , .A078 e A134 exibem um gap de banda HOMO-LUMO menor (∼1,40 eV) do que SBT-FIC (∼1,65 eV), o que é consistente com as medições ópticas.
( ) — , .
( ) — .
Além disso, NFA misturado com PCE-10 foi usado em OPV com a estrutura ITO / ZnO (30 nm) / camada ativa (~ 100 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (100 nm).
Imagem # 2 O
gráfico 2A mostra a densidade de corrente e as características de voltagem do NFA + PCE-10 descrito acima.
Em um aparelho baseado em A078 foram alcançados os seguintes parâmetros: PCE = 13,0 ± 0,4%, VOC = 0,75 ± 0,01 B, JSC = 24,8 ± 0,7 mA / cm 2 e FF = 0,70 ± 0,04.
O dispositivo OPV baseado em A134 mostrou: PCE = 7,6 ± 0,2% com VOC = 0,75 ± 0,01 V, JSC = 16,7 ± 0,5 mA / cm 2 e FF = 0,61 ± 0,03.
Para o dispositivo PCE-10: SBT-FIC, os indicadores foram os seguintes: PCE = 7,8 ± 0,3% com VOC = 0,70 ± 0,01 V, JSC = 17,2 ± 0,7 mA / cm 2 e FF = 0,65 ± 0,02.
É importante notar que a adição de 1-fenilnataleno (PN) leva a um aumento significativo na eficiência dos dispositivos A078 e A134 em comparação com SBT-FIC, que está associado ao empacotamento molecular melhorado de A078 e A134, bem como à orientação mais favorável das moléculas na mistura. Você também pode ver que o dispositivo PCE-10: A134 mostra um PCE inferior em comparação com o OPV PCE-10: A078. Isso se deve à cristalinidade do A134, que leva à sua menor solubilidade.
O gráfico 2B mostra os espectros de eficiência quântica externa * (EQE) de várias variantes de dispositivos.
Eficiência quântica * - a razão entre o número de fótons, cuja absorção causou a formação de quasipartículas, e o número total de fótons absorvidos.A melhoria significativa do JSC para A078 em relação ao SBT-FIC OPV é devido ao seu redshift de absorção de ~ 200 nm * , que fornece cobertura do espectro solar ainda mais em NIR.
Redshift * - um fenômeno em que o comprimento de onda da radiação aumenta (a luz fica mais vermelha, por exemplo) e a frequência e a energia diminuem.EQE A078 OPV atinge 80%, entre λ = 700 e 900 nm, deixando uma janela de transparência entre os comprimentos de onda visíveis de 400 a 650 nm.
Imagem # 3 Os
gráficos 3A - 3C mostram os perfis de vários dispositivos baseados em filmes NFA puros e PCE-10: mistura de NFA com / sem 1-fenilnataleno.
Com a adição de 1-fenilnataleno, o índice de absorção do filme PCE-10: NFA é praticamente o mesmo. Mas nas misturas PCE-10: A078 e PCE-10: A134, foi encontrado um novo pico de agregação pronunciado a cerca de 900 nm. Isso indica que a adição de 1-fenilnataleno aumenta as interações intermoleculares π - π em aceitadores parcialmente ligados, em vez de no doador de polímero.
Além disso, as propriedades morfológicas de diferentes variantes do dispositivo foram estudadas.
A078 exibe um pico de difração largo (100) em 0,31 Å - 1 com um comprimento de coerência lamelar L c = 7,5 nm. No caso de A134, o pico de difração foi mais estreito e mais nítido em 0,36 Å - 1 com um valor mais alto de L c = 15 nm. Conclui-se que A134 tem uma ordem superior a A078, o que é explicado pela substituição da cadeia lateral volumosa da molécula de p-hexilfenil por cadeias alquil lineares compactas.
SBT-FIC, por sua vez, mostra um pico de difração em 0,34 Å - 1 com o comprimento de coerência lamelar mais curto L c = 3,7 nm devido à sua natureza amorfa.
Devido à adição de 1-fenilnataleno, os picos de difração (010) PCE-10: A078 e PCE-10: A134 ( 3E) em 1,79 e 1,82 Å - 1 (devido a NFA) são deslocados e mostram um comprimento de coerência aumentado (24 versus 52 Å para A078) e (30 versus 63 Å para A134).
Mas a adição de aditivos ao PCE-10 não afeta o valor de coerência de forma alguma. Isso confirma que as diferenças morfológicas entre as variantes do dispositivo são do NFA e não do doador.
Além disso, quando 1-fenilnataleno foi usado, foi encontrada uma dependência da orientação das moléculas (paralelas ou perpendiculares). Para PCE-10: A078, a proporção paralela / perpendicular aumenta de 2,37 para 3,64 ( 3D ). Como a orientação paralela das moléculas é ideal para a transferência de carga, fica óbvio porque o dispositivo A078 tem uma eficiência tão alta (em comparação com outras opções).
Diante desses dados, foi o A078 que foi utilizado nas células fotovoltaicas semitransparentes investigadas (ST-OPV), cuja estrutura era a seguinte: ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (95 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (16 nm).
Imagem # 4
O ST-OPV recebido mostrou LUE = 2,8 ± 0,1%, PCE = 11,0 ± 0,7% e APT = 25,0 ± 1,3%. Porém, apesar do bom PCE> 10%, este dispositivo não pode ser usado em arquitetura, pois requer que a transmitância de luz média do APT seja de ~ 50%.
Os cientistas conseguiram resolver este problema devido a uma estrutura especialmente desenhada para controlar as propriedades ópticas do dispositivo, que permite obter a transmissão máxima na faixa do visível e reflexão máxima na faixa do infravermelho próximo.
Um revestimento óptico de OC foi aplicado ao ânodo de prata, consistindo em quatro camadas: CBP (C 36 H 24 N 2 ; espessura da camada 35 nm, índice de refração 1,90) / MgF 2 (100 nm, 1,38) / CBP (70 nm) / MgF 2 (45 nm). E na superfície distal do substrato de vidro revestido ARC (camada de material anti-reflexo) consistindo de uma bicamada MgF 2 (120 nm) e SiO 2 (130 nm) com um índice de refração suficientemente baixo 1,12.
ST-OPV com OC e ARC mostrou um aumento na transmitância de luz média (APT) de 25,0 ± 1,3% para 45,7 ± 2,1%, o que é uma melhoria de quase 80% em comparação com um dispositivo sem camadas adicionais (ou seja, sem OC e ARC) ... O valor da eficiência de conversão de energia (PCE) permaneceu praticamente inalterado ( 4C ). Apenas uma ligeira diminuição na densidade de corrente foi observada (JSC = 20,4 ± 0,8 versus 20,9 ± 1,2 mA / cm 2 ). Com esta configuração de dispositivo, a eficiência de utilização da luz foi LUE = 5,0 ± 0,3%. Este número, de acordo com os cientistas, é o maior entre os dispositivos ST-OPV disponíveis atualmente.
Os principais indicadores do dispositivo desenvolvido são promissores, resta estudar sua aparência, o que foi feito por meio de luz solar simulada (AM1.5G).
A luz transmitida através do dispositivo com revestimento OC e ARC tinha coordenadas cromáticas (0,33, 0,39) e CCT = 5585 K. Enquanto isso, a alta refletividade do cátodo de prata ultrafino em λ> 600 nm dá ao dispositivo uma tonalidade verde. Ao contrário de Ag, ITO tem uma transparência maior com um espectro de transmissão plano na região visível. Usar um cátodo e ânodo ITO resulta em um tom mais neutro.
Imagem # 5
Os gráficos e fotos acima mostram as características espectrais de densidade de corrente, voltagem e EQE de um dispositivo ST-OPV baseado em ITO com a seguinte estrutura: MgF 2(120 nm) / vidro ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (105 nm) / MoO 3 (20 nm) / deposição ITO (140 nm) / MgF 2 (145 nm) / MoO 3 (60 nm) ) / MgF 2 (190 nm) / MoO 3 (105 nm).
Comparado com o ST-OPV baseado em Ag, o dispositivo ITO mostra diferenças em FF e VOC devido à sua função de trabalho * e resistência de superfície mais altas (~ 50 ohms / quadrado).
A função de trabalho * é a energia que um elétron deve receber para removê-lo do volume de um sólido.Mas as diferenças mais significativas foram observadas nas pontuações JSC e PCE. À medida que o dispositivo se torna cada vez mais transparente, a reflexão do ânodo ITO para a fina região ativa é reduzida, eliminando a passagem dupla de fótons. Para minimizar a perda de fótons de baixa energia, o revestimento OC foi especialmente projetado para transmissão máxima no espectro visível e maior refletividade em comprimentos de onda mais longos. Assim, o dispositivo revestido com OC tem valores de JSC e PCE 15% maiores em comparação com o dispositivo ITO sem revestimento, embora a transparência aparente seja praticamente inalterada.
O dispositivo de ITO revestido de OC exibe LUE = 3,5 ± 0,1%, PCE = 8,1 ± 0,3% e APT = 43,3 ± 1,5% e tem uma tonalidade quase neutra. Além disso, a análise do dispositivo em teste mostrou que ele transmite a cor do objeto por trás dele ( 5D ).
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório dos cientistas e materiais adicionais a ele.
Epílogo
As cidades estão cheias de casas (desculpe o óbvio), portanto, muitas janelas. Usá-los como plataforma de coleta de energia solar é uma ideia muito sensata, mas difícil de implementar. Por um lado, é necessário coletar o máximo de energia, por outro, a essência da janela é que ela é transparente.
Neste trabalho, os cientistas foram capazes de demonstrar um protótipo funcional de um dispositivo de célula fotovoltaica semitransparente com PCE = 10,8 ± 0,6%, APT = 45,7 ± 2,1% e LUE = 5,0 ± 0,3%. Ou seja, a eficiência do aparelho foi de 10,8% e sua transparência de 45,8%. A principal vantagem desse desenvolvimento é o equilíbrio entre esses indicadores.
No momento, a eficiência do uso de luz é de cerca de 5%, o que já é bom, porque os antecessores podiam dar no máximo 2-3%. No entanto, os cientistas pretendem continuar seu trabalho e chegar a 7%. Outro desafio que eles próprios estabeleceram é estender a vida útil do dispositivo para 10 anos. Duráveis, eficientes e esteticamente agradáveis, as células solares podem transformar um prédio comercial comum em uma espécie de usina solar.
Gostaria de dizer que esses estudos são oportunos, mas não é o caso. Tais desenvolvimentos, especialmente em uma escala tão massiva como agora, deveriam ter sido tratados muito antes, sem esperar o momento em que a prevenção de um desastre ambiental e energético se transforme em uma análise das consequências. Em qualquer caso, tais empreendimentos, ainda que com atraso, são de grande importância não só para o futuro da humanidade, mas também para o futuro do nosso planeta.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana galera! :)
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