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 з фотоанода, рідкого електроліту та фотокатода. Фотоанод готує шар пористої напівпровідникової плівки на провідному підкладковому матеріалі та прикріплює шар барвникового сенсибілізатора; фотокатод готує шар платини або вуглецевого каталізатора на провідному підкладковому матеріалі. В фотоаноді електродним матеріалом є переважно TiO2. Коли на поверхню TiO2 наноситься шар барвника з хорошими світлопоглинальними властивостями, основний стан барвника 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. Іон I3- в електроліті отримує електрони на протилежному електроді і відновлюється до I-, а окислений барвник після введення електронів повертається в основний стан за допомогою I-. Сам I- окиснюється 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. Причина складності підвищення ефективності DSSC полягає в тому, що існуючі барвникові сенсибілізатори не можуть ефективно використовувати інфрачервоні фотони, що призводить до низької світлопоглинальної здатності. Тому майбутні дослідження зосередяться на розробці ефективних, стабільних, недорогих сенсибілізаторів без рутенію, які реагують на ближнє інфрачервоне світло. Крім того, важливим є покращення електронного транспорту 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 PSC використовують перовськітні органо-неорганічні гібридні матеріали замість органічних барвників як світлозбираючі матеріали. PSC складаються з нанокристалічного щільного шару, активного шару перовськіту ABX3 (X=Cl-, Br-, I-), шару переносу дірок і протилежного електрода. Світлозбираючий шар ABX3 має типову тривимірну структуру. A — це органічний амінний іон (CH3NH3+), що займає центр кубооктаедра; B — металевий катіон, який може координуватися у форму 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 стабільну тривимірну мережу. Методи приготування перовськітних матеріалів включають розчинний метод, метод спільного випаровування, газофазний допоміжний розчинний метод і внутрішньомолекулярний обмін.
З моменту появи PSC фотоелектрична ефективність зростає майже лінійно, що свідчить про великий потенціал таких сонячних батарей. Незважаючи на високу ефективність PSC, їх стабільність дуже низька. Для вирішення цієї проблеми вчені застосовують різні методи. Поверхня пристрою PSC покривається шаром фторованого фоточутливого полімеру шляхом світлозумовленої 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 від впливу водяної пари в повітрі. За видимого світла фотополімер повторно випромінює ультрафіолетове світло, що дозволяє PSC досягати ефективності до 19% при стандартному освітленні. Тести протягом 6 місяців в умовах повітряного середовища та фотохімічного впливу 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 усередині в усіх напрямках обмежений, що проявляється у вираженому квантовому обмеженні. Порівняно з традиційними об’ємними матеріалами, перевага квантових точок полягає в тому, що завдяки резонансному тунелюванню 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 світлопоглинання. 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-Квайссера для кремнієвих сонячних батарей.
З моменту створення квантові точки демонструють унікальні переваги, такі як широкий вибір матеріалів, регульовані заборонені зони та висока фотоелектрична ефективність, що свідчить про великий потенціал QDSC. Однак через мікроскопічний масштаб виробництва, складність технологічного процесу та теоретичні дослідження внутрішнього електронного транспорту ефективність цих батарей значно нижча за інші типи. Проте вони мають неперевершений потенціал. Основні напрямки досліджень для цього типу батарей — вибір матеріалів, оптимізація пристроїв і механізми внутрішнього електронного транспорту для підвищення ефективності та стабільності QDSC.
Після понад півстоліття розвитку та вдосконалення кристалічні кремнієві сонячні батареї мають високу ефективність і стабільність. Протягом тривалого часу вони залишатимуться домінуючими у сонячній фотоелектричній індустрії. Майбутні зусилля зосереджуватимуться на спрощенні процесу виготовлення та зниженні вартості виробництва для подальшого поширення кристалічних кремнієвих батарей. Водночас вчені розробили різні тонкоплівкові сонячні батареї, такі як GaAs, CdTe, CTGS тощо. Порівняно з кристалічним кремнієм, тонкоплівкові батареї мають значно нижчу вартість виробництва, а їх ефективність наближається до кремнієвих. Однак більшість тонкоплівкових батарей містять рідкісні або токсичні елементи, що викликає проблеми безпеки. Комерційні хімічні модулі потребують подальшої корекції та перевірки, тому подальші роботи мають покращити технології (наприклад, легування), підвищити ефективність, знизити витрати та покращити стабільність. Порівняно з двома попередніми типами, сонячні батареї третього покоління мають вищі перспективи застосування та розвитку, але через мікроскопічний характер процесів їх виготовлення складніший, а механізми міжфазного переносу заряду потребують подальшого вивчення.
