Przełom w organicznej fotowoltaice: moduły półprzezroczyste o sprawności 9%

Niemiecko-austriacki zespół opracował skalowalne moduły organiczne

Naukowcy z Niemiec i Austrii zaprezentowali półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne (STOPV) o powierzchni apertury 210,25 cm², wykonane metodą slot-die coating. To istotny krok w skalowaniu technologii, która dotychczas sprawdzała się głównie w małych ogniwach laboratoryjnych. Jak podkreśla Uli Würfel, współautor badań, nowość polega na innowacyjnym układzie warstw oraz udanym przejściu z małych ogniw na moduły o powierzchni przekraczającej 200 cm².

Moduły charakteryzują się sprawnością konwersji energii na poziomie 9,3% przy średniej transmitancji światła widzialnego (AVT) wynoszącej 43,2%. Współczynnik wykorzystania światła (LUE) osiągnął 4,0%. Dla porównania, wcześniejsze badania na małych ogniwach wykazywały LUE do 6%, ale skalowanie zwykle prowadziło do znacznego spadku wydajności. Tym razem udało się uniknąć strat – co naukowcy określają jako pozytywne zaskoczenie.

Budowa i proces produkcji

Moduły wykonano na szklanych podłożach o wymiarach 16 × 27,5 cm², tworząc 116 monolitycznie połączonych pasków ogniw o szerokości 1,25 mm. W strukturze zastosowano m.in. tlenek tytanu (TiO₂), dwutlenek krzemu (SiO₂), tlenek cynku domieszkowany aluminium (AZO), srebro (Ag) oraz organiczny absorber PV-X Plus. Elektroda tylna odbija promieniowanie bliskiej podczerwieni, co poprawia efektywność, a jednocześnie przepuszcza światło widzialne. Warstwy osadzano metodą slot-die coating, a elektrodę tylną – metodą rozpylania katodowego. Do łączenia ogniw wykorzystano trzy etapy skrawania laserowego, a następnie moduły wygrzewano w temperaturze 110°C przez 10 minut.

Przeprowadzone testy obejmowały pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych, transmisji optycznej oraz analizy defektów za pomocą termografii lock-in (ILIT) i elektroluminescencji (EL). Dodatkowo, mniejsze moduły sztywne o powierzchni 11,4 cm² poddano starzeniu przez ponad 1000 godzin ciągłego oświetlenia, a elastyczne warianty na podłożach PET przeszły testy zginania (1275 cykli wokół pręta o średnicy 15 mm). Elastyczne ogniwa osiągnęły średnie LUE 4,1%, sprawność 7,9% i AVT 52,1%.

Perspektywy rozwoju

Zespół planuje dalsze zwiększanie transmisji światła oraz przeniesienie technologii na produkcję w trybie rolka-do-rolki (roll-to-roll), co umożliwi ciągłe, tańsze wytwarzanie na elastycznych podłożach. Badania opublikowano w czasopiśmie „Joule” pod tytułem „Toward scalable semitransparent organic photovoltaics: Slot-die-coated 210-cm2 modules with visible transmission of up to 50% and LUE up to 4%”. W projekcie uczestniczyli naukowcy z Fraunhofer ISE, Uniwersytetu we Fryburgu oraz Uniwersytetu w Innsbrucku.

Półprzezroczyste moduły organiczne mogą znaleźć zastosowanie w budownictwie (BIPV), np. w oknach czy fasadach, łącząc produkcję energii z naturalnym oświetleniem wnętrz. To krok w stronę bardziej zrównoważonej energetyki, choć przed komercjalizacją pozostaje jeszcze optymalizacja trwałości i kosztów produkcji.

Źródło: pv magazine DE

Fot. pv-magazine.com