Recientemente, de vez en cuando se habla de energías verdes, fuentes renovables de las mismas, así como métodos para obtenerlas, almacenarlas y utilizarlas. Y esto es bastante lógico, porque la población del planeta crece constantemente y las reservas de fuentes de energía fósil se están agotando rápidamente. Tarde o temprano puede llegar un momento en que toda la energía utilizada por las personas será generada por el sol, el viento, etc. Por lo tanto, muchos investigadores se dedican a mejorar los métodos existentes y crear nuevos para recolectar energía verde. Hoy echamos un vistazo a un estudio en el que científicos de la Universidad de Michigan desarrollaron paneles solares transparentes (más precisamente translúcidos). ¿A partir de qué se creó esta tecnología, cuál es el principio de su funcionamiento y pueden los rascacielos convertirse en recolectores eficientes de energía solar? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos.Vamos.
Base de investigación
Los paneles solares alguna vez fueron bastante raros, pero ahora, afortunadamente, su disponibilidad y popularidad han aumentado considerablemente. Recientemente, estaba pasando por un edificio residencial en mi ciudad y noté que sus paredes y techo en blanco están completamente cubiertos con paneles solares. Esto me hizo sentir igualmente sorprendido, admirable y un mar de preguntas con respecto a la eficiencia, los beneficios económicos y más. Sin embargo, este ejemplo empírico muestra perfectamente una característica: los paneles se instalaron donde no interferirían (es decir, no en las ventanas).
Por supuesto, hay campos completos de paneles solares que cubren cientos de metros cuadrados (o incluso más), pero en ciudades densamente pobladas y, por lo tanto, densamente construidas, hay muy poco espacio libre para este método de instalación. Alguien dirá: "si realmente quisiéramos energía verde y paneles solares, entonces habría un lugar". Estoy de acuerdo, pero la realidad sigue siendo diferente. Puede que no haya mucho espacio adicional entre los rascacielos, pero hay muchas ventanas, que a su vez podrían convertirse en colectores de energía solar.
Por el momento, ya hay varios desarrollos en el campo de los paneles solares translúcidos, cuya eficiencia alcanza el 7%. Los semiconductores orgánicos juegan un papel importante en su desarrollo. Comparado con semiconductores inorgánicos, excitónico estrecho *Las franjas dentro de los semiconductores orgánicos abren nuevas posibilidades en el campo de las células fotovoltaicas orgánicas (en adelante OPV para fotovoltaica orgánica ), ya que muchos compuestos orgánicos absorben selectivamente la luz fuera del rango de longitud de onda visible.
Excitón * : excitación electrónica en un semiconductor, dieléctrico o metálico, que se mueve a través del cristal, pero no está asociada con la transferencia de masa y carga eléctrica.La eficiencia de las células fotovoltaicas translúcidas (ST-OPV) del 7% puede complacer a los científicos y a las personas que comprenden la dificultad de lograr un indicador de este tipo con una tecnología tan no estándar, pero desde el punto de vista de los beneficios económicos, esto es demasiado poco. Además, solo una pequeña fracción de las ST-OPV desarrolladas logran una transparencia visible de ~ 50%, lo cual es crítico para muchas aplicaciones.
Como resultado, para crear una ST-OPV es necesario encontrar un equilibrio entre la eficiencia de la recolección de energía y un nivel suficiente de transparencia, lo que no es una tarea fácil. Los científicos también agregan que muchas de las ST-OPV ya creadas tienen una apariencia muy poco estética (pantalla de vidrio), lo que tampoco contribuye a la popularización de esta tecnología.
Hasta la fecha, las ST-OPV de color neutro eficaces se centran principalmente en el uso de materiales con una fuerte absorción del infrarrojo cercano (NIR), incluidas estructuras de dispositivos de múltiples uniones para minimizar la pérdida de termalización, recubrimientos antirreflectantes (ARC) o reflectores dieléctricos aperiódicos (ADR) para aumentar absorción.
En el trabajo que estamos considerando hoy, los científicos describen su versión de ST-OPV, que alcanza PCE = 10,8 ± 0,6% y APT = 45,7 ± 2,1%, lo que conduce a LUE = 5,0 ± 0,3.
PCE* — (power conversion efficiency);El dispositivo utiliza una molécula de NFA (no aceptor de bulereno) con alta absorción en el rango del infrarrojo cercano, que requiere solo unos pocos pasos para sintetizarse. A pesar del hecho de que los NFA tienen estructuras de anillo parcialmente condensadas de forma covalente (en lugar de rígidas y completamente condensadas), se observaron fuertes interacciones intermoleculares π - π y empaquetamiento molecular cercano en ellos ( 1A ).
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
Imagen # 1
La combinación de materiales de absorción de infrarrojo cercano, estructuras de desacoplamiento (OC de desacoplamiento ) en la superficie de salida y electrodos transparentes hizo posible lograr el mismo compromiso entre eficiencia, transparencia y estética.
ST-OPV de color neutro usando un ánodo transparente de óxido de indio y estaño (ITO a partir de óxido de indio y estaño ) mostró PCE = 8,1 ± 0,3%, APT = 43,3 ± 1,5% y LUE = 3,5 ± 0,1%. Los indicadores de la luz que atraviesa el dispositivo fueron los siguientes: índice de reproducción cromática (CRI) = 86; temperatura de color correlacionada (CCT) = 4143 K; coordenadas cromáticas - (0.38, 0.39).
Resultados de la investigacion
La imagen 1A muestra las estructuras moleculares de los tres NFA probados, uno de los cuales (a saber, SBT-FIC) mostró una estructura molecular completamente fusionada. Los otros dos NFA (A078 y A134) con núcleos parcialmente fusionados son isómeros SBT-FIC que contienen cuatro tiofenos, dos ciclopentadienos y un anillo de benceno.
Una de las principales diferencias entre los tres NFA es la complejidad de la síntesis. Hacer SBT-FIC requiere 10 pasos de síntesis, mientras que hacer A078 y A134 requiere solo de 4 a 6 pasos. Además de esto, A078 y A134 son atractivos por su rendimiento relativamente alto, así como por materiales de síntesis menos tóxicos y más baratos.
Los espectros de absorción de NFA en el rango UV-visible se muestran en 1B y 1C... Sorprendentemente, las películas delgadas A078 y A134 muestran cambios batocrómicos significativos * ~ 135 nm en comparación con SBT-FIC con un pico de absorción a λmax = 900 nm.
Cambio batocrómico * : cambio de la banda espectral a la región de onda larga bajo la influencia de sustituyentes o cambios en el entorno.La voltametría cíclica de moléculas NFA mostró que las energías del orbital molecular ocupado más alto * (HOMO) y el orbital molecular vacante más bajo (LUMO) para SBT-FIC fueron EH = -5.81 (± 0.02) y EL = -4.15 (± 0.03) eV. Para A078, los índices fueron 5.58 (± 0.02) y -4.06 (± 0.03) eV. Y para A134: -5,54 (± 0,02) y -4,05 (± 0,03) eV.
* — , .A078 y A134 demuestran una brecha de banda HOMO-LUMO más baja (∼1.40 eV) que SBT-FIC (∼1.65 eV), que está de acuerdo con las mediciones ópticas.
( ) — , .
( ) — .
Además, se utilizó NFA mezclado con PCE-10 en OPV con la estructura ITO / ZnO (30 nm) / capa activa (∼100 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (100 nm).
Imagen # 2 El
gráfico 2A muestra la densidad de corriente y las características de voltaje del NFA + PCE-10 descrito anteriormente.
En un aparato basado en A078 se consiguieron los siguientes parámetros: PCE = 13,0 ± 0,4%, VOC = 0,75 ± 0,01 B, JSC = 24,8 ± 0,7 mA / cm 2 y FF = 0,70 ± 0,04.
El dispositivo OPV basado en A134 mostró: PCE = 7.6 ± 0.2% con VOC = 0.75 ± 0.01 V, JSC = 16.7 ± 0.5 mA / cm 2 y FF = 0.61 ± 0.03.
Para el dispositivo PCE-10: SBT-FIC, los indicadores fueron los siguientes: PCE = 7.8 ± 0.3% con VOC = 0.70 ± 0.01 V, JSC = 17.2 ± 0.7 mA / cm 2 y FF = 0.65 ± 0.02.
Vale la pena señalar que la adición de 1-fenilnataleno (PN) conduce a un aumento significativo en la eficiencia de los dispositivos A078 y A134 en comparación con SBT-FIC, lo que se asocia con el empaquetado molecular mejorado de A078 y A134, así como con la orientación más favorable de las moléculas en la mezcla. También puede ver que el dispositivo PCE-10: A134 muestra un PCE más bajo en comparación con el OPV PCE-10: A078. Esto se debe a la cristalinidad de A134, lo que conduce a su menor solubilidad.
El gráfico 2B muestra los espectros de eficiencia cuántica externa * (EQE) de varias variantes de dispositivos.
Eficiencia cuántica * : la relación entre el número de fotones, cuya absorción provocó la formación de cuasipartículas, y el número total de fotones absorbidos.La mejora significativa de JSC para A078 sobre SBT-FIC OPV se debe a su corrimiento al rojo de absorción de ~ 200 nm * , que proporciona una cobertura del espectro solar aún más en NIR.
Desplazamiento al rojo * : fenómeno en el que aumenta la longitud de onda de la radiación (la luz se vuelve más roja, por ejemplo) y la frecuencia y la energía disminuyen.EQE A078 OPV alcanza el 80%, entre λ = 700 y 900 nm, dejando una ventana de transparencia entre las longitudes de onda visibles de 400 a 650 nm.
Imagen # 3 Los
gráficos 3A - 3C muestran los perfiles de varios dispositivos basados en películas de NFA puro y mezcla de PCE-10: NFA con / sin 1-fenilnataleno.
Con la adición de 1-fenilnataleno, el índice de absorción de la película PCE-10: NFA prácticamente no cambia. Pero en las mezclas PCE-10: A078 y PCE-10: A134, se encontró un nuevo pico pronunciado de agregación a aproximadamente 900 nm. Esto indica que la adición de 1-fenilnataleno potencia las interacciones π - π intermoleculares en los aceptores parcialmente unidos en lugar de en el donante de polímero.
Además, se estudiaron las propiedades morfológicas de diferentes variantes del dispositivo.
A078 exhibe un pico ancho (100) de difracción a 0,31 Å - 1 con una longitud de coherencia lamelar L c = 7,5 nm. En el caso de A134, el pico de difracción fue más estrecho y agudo a 0.36 Å - 1 con un valor más alto de L c = 15 nm. De esto se deduce que A134 tiene un orden superior a A078, lo que se explica por el reemplazo de la cadena lateral voluminosa de la molécula de p-hexilfenilo con cadenas de alquilo lineales compactas.
SBT-FIC, a su vez, muestra un pico de difracción a 0,34 Å - 1 con la longitud de coherencia laminar más corta L c = 3,7 nm debido a su naturaleza amorfa.
Debido a la adición de 1-fenilnataleno, los picos de difracción (010) PCE-10: A078 y PCE-10: A134 ( 3E) a 1,79 y 1,82 Å - 1 (debido a NFA) están desplazados y muestran una longitud de coherencia aumentada (24 frente a 52 Å para A078) y (30 frente a 63 Å para A134).
Pero la adición de aditivos al PCE-10 no afecta el valor de coherencia de ninguna manera. Esto confirma que las diferencias morfológicas entre las variantes del dispositivo provienen del NFA y no del donante.
Además, cuando se usó 1-fenilnataleno, se encontró una dependencia de la orientación de las moléculas (paralelas o perpendiculares). Para PCE-10: A078, la relación paralelo / perpendicular aumenta de 2,37 a 3,64 ( 3D ). Dado que la orientación paralela de las moléculas es ideal para la transferencia de carga, resulta obvio por qué el dispositivo A078 tiene una eficiencia tan alta (en comparación con otras opciones).
A la vista de estos datos, fue A078 el que se utilizó en las células fotovoltaicas semitransparentes investigadas (ST-OPV), cuya estructura era la siguiente: ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (95 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (16 nm).
Imagen # 4
El ST-OPV recibido mostró LUE = 2.8 ± 0.1%, PCE = 11.0 ± 0.7% y APT = 25.0 ± 1.3%. Sin embargo, a pesar del buen PCE> 10%, este dispositivo no se puede utilizar en arquitectura, ya que requiere que la transmitancia de luz promedio del APT sea ~ 50%.
Los científicos pudieron resolver este problema gracias a una estructura especialmente diseñada para controlar las propiedades ópticas del dispositivo, que permite lograr la máxima transmisión en el rango visible y la máxima reflexión en el rango del infrarrojo cercano.
Se aplicó un recubrimiento óptico OC al ánodo de plata, que consta de cuatro capas: CBP (C 36 H 24 N 2 ; espesor de capa 35 nm, índice de refracción 1,90) / MgF 2 (100 nm, 1,38) / CBP (70 nm) / MgF 2 (45 nm). Y sobre la superficie distal del sustrato de vidrio revestido con ARC (capa de material antirreflectante) que consta de una bicapa de MgF 2 (120 nm) y SiO 2 (130 nm) con un índice de refracción suficientemente bajo de 1,12.
ST-OPV con OC y ARC mostró un aumento en la transmitancia de luz promedio (APT) de 25.0 ± 1.3% a 45.7 ± 2.1%, que es una mejora de casi el 80% en comparación con un dispositivo sin capas adicionales (es decir, sin OC y ARC) ... El valor de la eficiencia de conversión de energía (PCE) se mantuvo prácticamente sin cambios ( 4C ). Solo se observó una ligera disminución en la densidad de corriente (JSC = 20,4 ± 0,8 frente a 20,9 ± 1,2 mA / cm 2 ). Con esta configuración de dispositivo, la eficiencia de utilización de la luz fue LUE = 5,0 ± 0,3%. Esta cifra, según los científicos, es la más alta entre los dispositivos ST-OPV disponibles actualmente.
Los principales indicadores del dispositivo desarrollado son prometedores, queda por estudiar su apariencia, que se realizó mediante luz solar simulada (AM1.5G).
La luz transmitida a través del dispositivo con recubrimiento OC y ARC tenía coordenadas cromáticas (0.33, 0.39) y CCT = 5585 K. Mientras tanto, la alta reflectividad del cátodo de plata ultrafino a λ> 600 nm le da al dispositivo un tinte verde. A diferencia de Ag, ITO tiene una mayor transparencia con un espectro de transmisión plano en la región visible. El uso de un cátodo y un ánodo ITO da como resultado un tono más neutro.
Imagen # 5
Los gráficos y la foto de arriba muestran las características espectrales de densidad de corriente, voltaje y EQE de un dispositivo ST-OPV basado en ITO con la siguiente estructura: MgF 2(120 nm) / vidrio ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (105 nm) / MoO 3 (20 nm) / deposición ITO (140 nm) / MgF 2 (145 nm) / MoO 3 (60 nm) ) / MgF 2 (190 nm) / MoO 3 (105 nm).
Comparado con el ST-OPV basado en Ag, el dispositivo ITO muestra diferencias en FF y VOC debido a su mayor función de trabajo * y resistencia superficial (~ 50 ohmios / cuadrado).
La función de trabajo * es la energía que debe recibir un electrón para eliminarlo del volumen de un sólido.Pero las diferencias más significativas se observaron en las puntuaciones de JSC y PCE. A medida que el dispositivo se vuelve cada vez más transparente, se reduce la reflexión del ánodo ITO en la región activa delgada, eliminando el doble paso de fotones. Para minimizar la pérdida de fotones de baja energía, el recubrimiento OC se ha diseñado especialmente para una transmisión máxima en el espectro visible y una mayor reflectividad a longitudes de onda más largas. Por lo tanto, el dispositivo recubierto con OC tiene valores de JSC y PCE un 15% más altos en comparación con el dispositivo ITO sin recubrimiento, aunque la transparencia aparente prácticamente no cambia.
El dispositivo ITO recubierto de OC exhibe LUE = 3.5 ± 0.1%, PCE = 8.1 ± 0.3% y APT = 43.3 ± 1.5%, y tiene un tono casi neutro. Además, el análisis del dispositivo bajo prueba mostró que transmite el color del objeto detrás de él ( 5D ).
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .
Epílogo
Las ciudades están llenas de casas (perdón por lo obvio), de ahí muchas ventanas. Usarlos como plataforma para recolectar energía solar es una idea muy sensata, pero difícil de implementar. Por un lado, es necesario recolectar la máxima energía, por otro, la esencia de la ventana es que es transparente.
En este trabajo, los científicos pudieron demostrar un prototipo funcional de un dispositivo de celda fotovoltaica semitransparente con PCE = 10,8 ± 0,6%, APT = 45,7 ± 2,1% y LUE = 5,0 ± 0,3%. Es decir, la eficiencia del dispositivo fue del 10,8% y su transparencia del 45,8%. La principal ventaja de este desarrollo es el equilibrio entre estos indicadores.
Por el momento, la eficiencia del uso de la luz es de alrededor del 5%, lo que ya es bueno, porque los predecesores podrían dar un máximo de 2-3%. Sin embargo, los científicos tienen la intención de continuar con su trabajo y llegar al 7%. Otro desafío que se han propuesto es extender la vida útil del dispositivo a 10 años. Las células solares duraderas, eficientes y estéticamente agradables pueden transformar un edificio de oficinas ordinario en una especie de planta de energía solar.
Me gustaría decir que esos estudios son oportunos, pero no es así. Estos desarrollos, sobre todo tan masivos como ahora, deberían haberse realizado mucho antes, sin esperar el momento en que la prevención de una catástrofe medioambiental y energética se convierta en un análisis de las consecuencias. En cualquier caso, estos compromisos, aunque con retraso, son de gran importancia no solo para el futuro de la humanidad, sino también para el futuro de nuestro planeta.
Gracias por su atención, ¡tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana, chicos! :)
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