Класифікація сонячних батарей - сонячні батареї третього покоління
1. Сонячні батареї з барвниковим сенсибілізатором
DSSC — це клас батарей, які імітують принцип фотосинтезу зелених рослин для перетворення сонячної енергії в електрику. Рідкі DSSC складаються головним чином із фотоанода, рідкого електроліту та фотокатода. Фотоанод готується шляхом нанесення шару пористої напівпровідникової плівки на провідний підкладковий матеріал і прикріплення шару барвника-сенсибілізатора; фотокатод готується шляхом нанесення шару платини або вуглецевого каталізатора на провідний підкладковий матеріал. В фотоаноді основним електродним матеріалом є TiO2. Коли на поверхню TiO2 наноситься шар барвника з хорошими світлозахисними властивостями, барвник у основному стані поглинає світло і переходить у збуджений стан, після чого збуджений барвник вводить електрони в зону провідності TiO2. Відбувається розділення носіїв заряду, і вони передаються на протилежний електрод через зовнішній ланцюг. Іони I3- в електроліті отримують електрони на протилежному електроді і відновлюються до I-, а окислений барвник після введення електронів повертається в основний стан за допомогою I-. Самі іони I- окиснюються до I3-, завершуючи весь цикл.
DSSC мають переваги простоти синтезу та широкого вибору матеріалів, але більшість DSSC використовують рідкі електроліти, що призводить до корозії електродів, витоку електроліту та поганої стабільності батареї. Для вирішення цих проблем дослідники досягли певного прогресу у розробці чисто органічних сенсибілізаторів і твердотільних DSSC. Основна причина складності підвищення ефективності DSSC полягає в тому, що існуючі барвники не можуть ефективно використовувати інфрачервоні фотони, що призводить до низької ефективності поглинання світла. Тому майбутні дослідження будуть зосереджені на розробці ефективних, стабільних, недорогих барвників без рутенію, які реагують на ближнє інфрачервоне світло. Крім того, важливим є покращення здатності переносу електронів всередині батареї, створення високоефективних і довговічних твердотільних електролітів, пошук недорогих не платинових протилежних електродів і підвищення загального терміну служби батареї для популяризації DSSC.
2. Перовськітні сонячні батареї
Поява PSC пов’язана з розвитком DSSC, але відмінність полягає в тому, що PSC використовують перовськітні органічно-неорганічні гібридні матеріали замість органічних барвників як світлозахисні матеріали. PSC складаються з нанокристалічного щільного шару, активного шару перовськіту ABX3 (X=Cl-, Br-, I-), шару переносу дірок і протилежного електрода. Світлозахисний шар ABX3 має типову тривимірну структуру. A — це органічний амінний іон (CH3NH3+), що займає центр кубооктаедра; B — металевий катіон, який може координуватися у вигляді октаедра, наприклад Pb+, Nb+, Ti4+, Fe3+ тощо; X — аніон, який координується з B, утворюючи октаедр, зазвичай Cl-, Br-, I- та інші галогенні іони. Галогенні октаедри в цьому типі перовськітного матеріалу з’єднані у тривимірну стабільну мережу. Методи приготування перовськітних матеріалів включають розчинний метод, метод спільного випаровування, газофазний допоміжний розчинний метод і метод внутрішньомолекулярного обміну.
З моменту появи PSC ефективність фотоелектричного перетворення зростає майже лінійно, що свідчить про великий потенціал таких сонячних батарей. Незважаючи на високу ефективність PSC, їх стабільність дуже низька. З цією метою вчені шукають різні способи вирішення проблеми стабільності. Поверхня пристрою PSC покривається шаром фторованого фоточутливого полімеру шляхом світлозалежної радикальної полімеризації при кімнатній температурі. Цей багатофункціональний покрив надає передній частині пристрою PSC самоочисні та люмінесцентні властивості, а задній частині — надгідрофобні властивості, що захищає поверхню PSC від впливу водяної пари в повітрі. За видимого світла фотополімер повторно випромінює ультрафіолетове світло, завдяки чому PSC досягають ефективності до 19% при стандартному освітленні. Тести проводилися протягом 6 місяців в умовах повітряного середовища та фотохімічного впливу, і результати показали, що фотоелектричні властивості PSC добре зберігаються, що свідчить про стабільне покращення продуктивності цих сонячних батарей. Тому майбутні роботи мають стандартизувати робочі норми для цього типу батарей, такі як вимоги до стабільності, стандарти тестування старіння тощо. З розвитком технологій PSC можуть перевершити тонкоплівкові сонячні батареї і стати новачком у фотогальванічній індустрії.
3. Квантові точкові сонячні батареї
Квантові точки — це нульовимірні наноматеріали, тобто всі три розміри квантових точок менші за довжину хвилі де Бройля екситонів у об’ємних матеріалах. Рух електронів всередині квантових точок обмежений у всіх напрямках, що проявляється у вираженому квантовому обмеженні. Порівняно з традиційними об’ємними матеріалами, перевага квантових точок полягає в тому, що завдяки ефекту резонансного тунелювання вони можуть підвищувати збір фотогенерованих носіїв заряду в батареї, збільшуючи струм; регулюючи розмір і форму квантових точок, оптимізується енергетичний рівень і покращується відповідність сонячному спектру, що підвищує коефіцієнт поглинання світла. Деякі квантові точки (наприклад, PbSe) можуть поглинати один фотон високої енергії для генерації кількох пар електрон-дірка, тобто ефект мультиекситонів. Теоретично прогнозована ефективність одношарових QDSC може досягати 44%, що значно перевищує межу Шоклі-Квіссера для кремнієвих сонячних батарей.
З моменту свого створення квантові точки демонструють унікальні переваги, такі як широкий вибір матеріалів, регульовані заборонені зони та висока ефективність фотоелектричного перетворення, що свідчить про великий потенціал QDSC. Однак через мікроскопічний масштаб виробництва, складність технологічного процесу та високі вимоги, а також те, що механізм переносу електронів всередині батареї ще вивчається, їх ефективність значно нижча за інші типи батарей. Проте цей тип батарей має неперевершений потенціал. Основні напрямки досліджень QDSC зараз зосереджені на виборі матеріалів, оптимізації пристроїв і вивченні механізму переносу електронів для підвищення ефективності та стабільності.
Після понад півстолітнього розвитку та вдосконалення кристалічні кремнієві сонячні батареї мають високу ефективність і стабільність. Протягом тривалого часу вони залишатимуться домінуючими у сонячній фотоелектричній індустрії. Майбутні зусилля будуть спрямовані на спрощення процесу виготовлення сонячних батарей і зниження їх вартості для подальшого поширення кристалічних кремнієвих батарей. Водночас вчені розробили різні тонкоплівкові сонячні батареї, такі як GaAs, CdTe, CTGS та інші. Порівняно з кристалічним кремнієм, виробничі витрати тонкоплівкових батарей значно нижчі, а ефективність наближається до ефективності кремнієвих батарей. Однак більшість тонкоплівкових батарей містять рідкісні або токсичні елементи, що викликає проблеми безпеки. Комерційні хімічні модулі потребують подальшої корекції та перевірки, тому подальша робота має бути спрямована на вдосконалення процесів (наприклад, легування), підвищення ефективності, зниження виробничих витрат і покращення стабільності. Порівняно з двома попередніми типами, сонячні батареї третього покоління мають вищі перспективи застосування та розвитку, але через залучення мікроскопічних процесів технологія їх виготовлення складніша, а механізм міжфазного переносу заряду потребує подальшого вивчення.
