Akhir-akhir ini, sesekali mereka membicarakan tentang energi hijau, sumber terbarukannya, serta metode produksi, penyimpanan, dan penggunaannya. Dan ini cukup logis, karena populasi planet terus bertambah, dan cadangan sumber energi fosil semakin menipis. Cepat atau lambat suatu saat mungkin datang ketika semua energi yang digunakan oleh manusia akan dihasilkan oleh matahari, angin, dll. Oleh karena itu, banyak peneliti yang terlibat dalam meningkatkan metode yang ada dan menciptakan metode baru untuk mengumpulkan energi hijau. Hari ini kita melihat sebuah studi di mana para ilmuwan dari University of Michigan mengembangkan panel surya transparan (lebih tepatnya tembus cahaya). Dari apa teknologi ini diciptakan, apa prinsip operasinya, dan dapatkah gedung pencakar langit menjadi pengumpul energi matahari yang efisien? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan.Pergilah.
Dasar penelitian
Panel surya dulunya cukup langka, tetapi sekarang, untungnya, ketersediaan dan popularitasnya telah meningkat pesat. Baru-baru ini, saya melewati sebuah bangunan tempat tinggal di kota saya dan memperhatikan bahwa dinding dan atapnya yang kosong seluruhnya tertutup panel surya. Hal ini membuat saya sama-sama terkejut, terpesona, dan banyak pertanyaan tentang efisiensi, manfaat ekonomi, dan banyak lagi. Namun demikian, contoh empiris ini dengan sempurna menunjukkan satu fitur - panel dipasang di tempat yang tidak akan mengganggu (yaitu tidak di windows).
Tentu saja, ada seluruh bidang panel surya yang mencakup ratusan meter persegi (atau bahkan lebih), tetapi di kota-kota yang padat penduduk dan oleh karena itu padat dibangun, terlalu sedikit ruang kosong untuk metode pemasangan ini. Seseorang akan berkata: “jika kita benar-benar menginginkan energi hijau dan panel surya, maka pasti ada tempatnya”. Saya setuju, tetapi kenyataannya masih berbeda. Mungkin tidak ada banyak ruang ekstra di antara gedung pencakar langit, tetapi ada banyak jendela, yang dengan sendirinya dapat menjadi pengumpul energi matahari.
Saat ini sudah ada beberapa pengembangan di bidang solar panel yang efisiensinya mencapai 7%. Semikonduktor organik memainkan peran penting dalam perkembangannya. Dibandingkan dengan semikonduktor anorganik, eksitonik sempit *garis-garis di dalam semikonduktor organik membuka kemungkinan baru di bidang sel fotovoltaik organik (selanjutnya disebut OPV untuk fotovoltaik organik ), karena banyak senyawa organik secara selektif menyerap cahaya di luar rentang panjang gelombang yang terlihat.
Eksitasi * - eksitasi elektronik dalam semikonduktor, dielektrik atau logam, bergerak melalui kristal, tetapi tidak terkait dengan transfer muatan dan massa listrik.Efisiensi sel fotovoltaik tembus cahaya (ST-OPV) sebesar 7% dapat menyenangkan para ilmuwan dan orang-orang yang memahami kesulitan mencapai indikator seperti itu dengan teknologi non-standar, tetapi dari sudut pandang manfaat ekonomi, ini terlalu kecil. Selain itu, hanya sebagian kecil dari ST-OPV yang dikembangkan mencapai transparansi yang terlihat ∼50%, yang sangat penting untuk banyak aplikasi.
Akibatnya, untuk menciptakan ST-OPV, perlu untuk menemukan keseimbangan antara efisiensi pemanfaatan energi dan tingkat transparansi yang memadai, yang bukanlah tugas yang mudah. Para ilmuwan juga menambahkan bahwa banyak ST-OPV yang sudah dibuat memiliki penampilan yang sangat tidak estetis (peneduh kaca), yang juga tidak berkontribusi pada mempopulerkan teknologi ini.
Sampai saat ini, ST-OPV warna netral yang efektif terutama difokuskan pada penggunaan bahan dengan daya serap yang kuat di wilayah inframerah dekat (NIR), termasuk struktur perangkat multijungsi untuk meminimalkan kehilangan termal, lapisan anti-reflektif (ARC) atau reflektor dielektrik aperiodik (ADR) untuk meningkat penyerapan.
Dalam pekerjaan yang kami pertimbangkan hari ini, para ilmuwan menjelaskan versi ST-OPV mereka, yang mencapai PCE = 10,8 ± 0,6% dan APT = 45,7 ± 2,1%, yang mengarah ke LUE = 5,0 ± 0,3.
PCE* — (power conversion efficiency);Perangkat menggunakan molekul NFA (non-bulerene acceptor) dengan penyerapan tinggi dalam jarak inframerah dekat, yang hanya memerlukan beberapa langkah untuk mensintesis. Terlepas dari kenyataan bahwa NFA memiliki struktur cincin yang terkondensasi sebagian secara kovalen (bukan yang kaku dan terkondensasi sempurna), interaksi antarmolekul π - π yang kuat dan pengemasan molekul yang dekat diamati di dalamnya ( 1A ).
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
Gambar # 1
Kombinasi bahan yang menyerap cahaya dalam jarak inframerah dekat, struktur keluaran (keluaran foton dari LED setelah pembangkitan) (OC dari outcoupling ) pada permukaan keluaran dan elektroda transparan memungkinkan tercapainya kompromi yang sama antara efisiensi, transparansi, dan estetika.
ST-OPV netral warna menggunakan anoda oksida timah indium transparan (ITO dari indium timah oksida ) menunjukkan PCE = 8,1 ± 0,3%, APT = 43,3 ± 1,5%, dan LUE = 3,5 ± 0,1%. Indikator cahaya yang melewati perangkat adalah sebagai berikut: color rendering index (CRI) = 86; suhu warna berkorelasi (CCT) = 4143 K; koordinat kromatik - (0,38, 0,39).
Hasil penelitian
Gambar 1A menunjukkan struktur molekul dari tiga NFA yang diuji, salah satunya (yaitu SBT-FIC) menunjukkan tulang punggung molekul yang menyatu sepenuhnya. Dua NFA lainnya (A078 dan A134) dengan inti yang menyatu sebagian adalah isomer SBT-FIC yang mengandung empat tiofena, dua siklopentadiena, dan satu cincin benzen.
Salah satu perbedaan utama antara ketiga NFA adalah kompleksitas sintesisnya. Pembuatan SBT-FIC membutuhkan 10 langkah sintesis, sedangkan pembuatan A078 dan A134 hanya membutuhkan 4 hingga 6 langkah. Selain itu, A078 dan A134 menarik karena hasil yang relatif tinggi, serta bahan yang tidak terlalu beracun dan lebih murah untuk sintesis.
Spektrum absorpsi NFA dalam kisaran UV-tampak ditunjukkan dalam 1B dan 1C... Anehnya, film tipis A078 dan A134 menunjukkan pergeseran batiokromik yang signifikan * ~ 135 nm dibandingkan dengan SBT-FIC dengan puncak serapan pada λmax = 900 nm.
Pergeseran batokromik * - pergeseran pita spektral ke wilayah gelombang panjang di bawah pengaruh substituen atau perubahan lingkungan.Voltametri siklik molekul NFA menunjukkan bahwa untuk SBT-FIC energi orbital molekul * (HOMO) yang terisi tertinggi dan orbital molekul kosong terendah (LUMO) adalah EH = -5.81 (± 0.02) dan EL = -4.15 (± 0.03) eV. Untuk A078, indeksnya adalah 5,58 (± 0,02) dan -4,06 (± 0,03) eV. Dan untuk A134: -5.54 (± 0.02) dan -4.05 (± 0.03) eV.
* — , .A078 dan A134 menunjukkan celah pita HOMO-LUMO lebih rendah (∼1,40 eV) daripada SBT-FIC (∼1,65 eV), yang sesuai dengan pengukuran optik.
( ) — , .
( ) — .
Selanjutnya, NFA dicampur dengan PCE-10 digunakan dalam OPV dengan struktur ITO / ZnO (30 nm) / lapisan aktif (∼100 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (100 nm).
Gambar # 2
Grafik 2A menunjukkan kerapatan arus dan karakteristik tegangan dari NFA + PCE-10 yang dijelaskan di atas.
Dalam peralatan berdasarkan A078 dicapai parameter berikut: PCE = 13,0 ± 0,4%, VOC = 0,75 ± 0,01 B, JSC = 24,8 ± 0,7 mA / cm 2 dan FF = 0,70 ± 0,04.
Perangkat OPV berbasis A134 menunjukkan: PCE = 7,6 ± 0,2% dengan VOC = 0,75 ± 0,01 V, JSC = 16,7 ± 0,5 mA / cm 2 dan FF = 0,61 ± 0,03.
Untuk perangkat PCE-10: SBT-FIC, indikatornya adalah sebagai berikut: PCE = 7,8 ± 0,3% dengan VOC = 0,70 ± 0,01 V, JSC = 17,2 ± 0,7 mA / cm 2 dan FF = 0,65 ± 0,02.
Perlu dicatat bahwa penambahan 1-fenilnatalena (PN) menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam efisiensi perangkat A078 dan A134 dibandingkan dengan SBT-FIC, yang dikaitkan dengan peningkatan pengemasan molekul A078 dan A134, serta orientasi molekul yang lebih disukai dalam campuran. Anda juga dapat melihat bahwa perangkat PCE-10: A134 menunjukkan PCE yang lebih rendah dibandingkan dengan OPV PCE-10: A078. Ini karena kristalinitas A134, yang menyebabkan kelarutannya lebih rendah.
Grafik 2B menunjukkan spektrum efisiensi kuantum * (EQE) eksternal dari berbagai varian perangkat.
Efisiensi kuantum * - rasio jumlah foton, yang penyerapannya menyebabkan pembentukan kuasipartikel, dengan jumlah total foton yang diserap.Peningkatan signifikan JSC untuk A078 dibandingkan SBT-FIC OPV disebabkan oleh redshift penyerapan ~ 200 nm * , yang memberikan cakupan spektrum matahari lebih jauh ke dalam NIR.
Pergeseran merah * adalah fenomena di mana panjang gelombang radiasi meningkat (cahaya menjadi lebih merah, misalnya), dan frekuensi serta energi menurun.EQE A078 OPV mencapai 80%, antara λ = 700 dan 900 nm, meninggalkan jendela transparansi antara panjang gelombang yang terlihat dari 400 hingga 650 nm.
Gambar # 3
Grafik 3A - 3C menunjukkan profil berbagai perangkat berdasarkan film NFA murni dan campuran PCE-10: NFA dengan / tanpa 1-fenilnatalena.
Dengan penambahan 1-fenilnatalena, indeks absorpsi film PCE-10: NFA praktis tidak berubah. Tetapi dalam campuran PCE-10: A078 dan PCE-10: A134, ditemukan puncak agregasi baru pada sekitar 900 nm. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan 1-fenilnatalena meningkatkan interaksi antarmolekul π - π pada akseptor yang terikat sebagian daripada pada donor polimer.
Selanjutnya, sifat morfologi dari berbagai varian perangkat dipelajari.
A078 menunjukkan puncak difraksi yang luas (100) pada 0,31 Å - 1 dengan panjang koherensi lamelar L c = 7,5 nm. Dalam kasus A134, puncak difraksi lebih sempit dan lebih tajam pada 0,36 Å - 1 dengan nilai L c = 15 nm yang lebih tinggi. Oleh karena itu, A134 memiliki urutan yang lebih tinggi daripada A078, yang dijelaskan dengan penggantian rantai samping besar molekul p-heksilfenil dengan rantai alkil linier kompak.
SBT-FIC, pada gilirannya, menunjukkan puncak difraksi pada 0,34 Å - 1 dengan panjang koherensi lamelar terpendek L c = 3,7 nm karena sifat amorfnya.
Karena penambahan 1-fenilnatalena, puncak difraksi (010) PCE-10: A078 dan PCE-10: A134 ( 3E)) pada 1,79 dan 1,82 Å - 1 (karena NFA) dipindahkan dan menunjukkan panjang koherensi yang meningkat (24 versus 52 Å untuk A078) dan (30 versus 63 Å untuk A134).
Tetapi menambahkan aditif ke PCE-10 tidak memengaruhi nilai koherensi dengan cara apa pun. Ini menegaskan bahwa perbedaan morfologis antara varian perangkat berasal dari NFA dan bukan dari donor.
Selain itu, ketika menggunakan 1-fenilnatalena, ketergantungan pada orientasi molekul (paralel atau tegak lurus) ditemukan. Untuk PCE-10: A078, rasio paralel / tegak lurus meningkat dari 2,37 menjadi 3,64 ( 3D ). Karena orientasi paralel molekul ideal untuk transfer muatan, menjadi jelas mengapa perangkat A078 sangat efisien (dibandingkan dengan opsi lain).
Mengingat data ini, adalah A078 yang digunakan dalam sel fotovoltaik semitransparan (ST-OPV) yang diteliti, yang strukturnya terlihat sebagai berikut: ITO / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (95 nm) / MoO 3 (20 nm) / Ag (16 nm).
Gambar # 4
ST-OPV yang diterima menunjukkan LUE = 2.8 ± 0.1%, PCE = 11.0 ± 0.7% dan APT = 25.0 ± 1.3%. Namun, meskipun PCE bagus> 10%, perangkat ini tidak dapat digunakan dalam arsitektur, karena memerlukan transmisi cahaya rata-rata APT menjadi ~ 50%.
Para ilmuwan dapat memecahkan masalah ini karena struktur yang dirancang khusus untuk mengendalikan sifat optik perangkat, yang memungkinkan pencapaian transmisi maksimum dalam jarak yang terlihat dan refleksi maksimum dalam jarak inframerah dekat.
Lapisan OC optik diterapkan pada anoda perak, yang terdiri dari empat lapisan: CBP (C 36 H 24 N 2 ; ketebalan lapisan 35 nm, indeks bias 1,90) / MgF 2 (100 nm, 1,38) / CBP (70 nm) / MgF 2 (45 nm). Dan pada permukaan distal substrat kaca dilapisi ARC (lapisan bahan antireflektif) yang terdiri dari bilayer MgF 2 (120 nm) dan SiO 2 (130 nm) dengan indeks bias cukup rendah 1,12.
ST-OPV dengan OC dan ARC menunjukkan peningkatan transmisi cahaya rata-rata (APT) dari 25,0 ± 1,3% menjadi 45,7 ± 2,1%, yang merupakan peningkatan hampir 80% dibandingkan dengan perangkat tanpa lapisan tambahan (yaitu tanpa OC dan ARC) ... Nilai efisiensi konversi daya (PCE) praktis tidak berubah ( 4C ). Hanya sedikit penurunan dalam kepadatan arus yang diamati (JSC = 20,4 ± 0,8 versus 20,9 ± 1,2 mA / cm 2 ). Dengan konfigurasi perangkat ini, efisiensi pemanfaatan cahaya adalah LUE = 5.0 ± 0.3%. Angka ini, menurut para ilmuwan, adalah yang tertinggi di antara perangkat ST-OPV yang tersedia saat ini.
Indikator utama dari perangkat yang dikembangkan cukup menjanjikan, masih harus dipelajari kemunculannya yang dilakukan dengan cara simulasi sinar matahari (AM1.5G).
Cahaya yang ditransmisikan melalui perangkat dengan lapisan OC dan ARC memiliki koordinat kromatik (0,33, 0,39) dan CCT = 5585 K. Sementara itu, reflektifitas yang tinggi dari katoda perak sangat tipis pada λ> 600 nm memberikan perangkat warna hijau. Tidak seperti Ag, ITO memiliki transparansi yang lebih tinggi dengan spektrum transmisi datar di wilayah yang terlihat. Penggunaan katoda dan anoda ITO menghasilkan warna yang lebih netral.
Gambar # 5
Grafik dan foto di atas menunjukkan karakteristik spektral dari kerapatan arus, tegangan dan EQE dari perangkat ST-OPV berbasis ITO dengan struktur sebagai berikut: MgF 2(120 nm) / ITO gelas / ZnO (30 nm) / PCE-10: A078 (105 nm) / MoO 3 (20 nm) / pengendapan ITO (140 nm) / MgF 2 (145 nm) / MoO 3 (60 nm) ) / MgF 2 (190 nm) / MoO 3 (105 nm).
Dibandingkan dengan ST-OPV berbasis Ag, perangkat ITO menunjukkan perbedaan dalam FF dan VOC karena fungsi kerja yang lebih tinggi * dan resistansi permukaan (~ 50 ohm / persegi).
Fungsi kerja * adalah energi yang harus diterima elektron untuk melepaskannya dari volume padatan.Tetapi perbedaan paling signifikan diamati pada skor JSC dan PCE. Saat perangkat menjadi semakin transparan, pantulan dari anoda ITO ke wilayah aktif tipis berkurang, menghilangkan lintasan ganda foton. Untuk meminimalkan hilangnya foton energi rendah, lapisan OC telah dirancang khusus untuk transmisi maksimum dalam spektrum tampak dan reflektifitas yang lebih tinggi pada panjang gelombang yang lebih panjang. Dengan demikian, perangkat yang dilapisi OC memiliki nilai JSC dan PCE 15% lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat ITO yang tidak dilapisi, meskipun transparansi yang terlihat secara praktis tidak berubah.
Perangkat ITO berlapis OC menunjukkan LUE = 3,5 ± 0,1%, PCE = 8,1 ± 0,3% dan APT = 43,3 ± 1,5%, dan memiliki rona yang hampir netral. Selain itu, analisis perangkat yang diuji menunjukkan bahwa ia mentransmisikan warna objek di belakangnya ( 5D ).
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya menganjurkan agar Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Kota-kota penuh dengan rumah (maaf untuk yang sudah jelas), karenanya banyak jendela. Menggunakannya sebagai platform untuk mengumpulkan energi matahari adalah ide yang sangat masuk akal, tetapi sulit untuk diterapkan. Di satu sisi, perlu mengumpulkan energi maksimum, di sisi lain, inti dari jendela adalah transparan.
Dalam pekerjaan ini, para ilmuwan dapat mendemonstrasikan prototipe kerja perangkat sel fotovoltaik semitransparan dengan PCE = 10,8 ± 0,6%, APT = 45,7 ± 2,1% dan LUE = 5,0 ± 0,3%. Dengan kata lain, efisiensi perangkat 10,8% dan transparansi 45,8%. Keuntungan utama dari perkembangan ini adalah keseimbangan antara indikator-indikator tersebut.
Saat ini, efisiensi penggunaan lampu sekitar 5%, itu sudah bagus, karena pendahulunya bisa mengeluarkan maksimal 2-3%. Namun, para ilmuwan berniat untuk melanjutkan pekerjaannya dan mencapai 7%. Tantangan lain yang telah mereka tetapkan untuk diri mereka sendiri adalah memperpanjang masa pakai perangkat hingga 10 tahun. Tahan lama, efisien, dan menyenangkan secara estetika, sel surya dapat mengubah gedung perkantoran biasa menjadi semacam pembangkit listrik tenaga surya.
Saya ingin mengatakan bahwa studi semacam itu tepat waktu, tetapi kenyataannya tidak demikian. Perkembangan tersebut, apalagi secara masif seperti sekarang, seharusnya dilakukan jauh lebih awal, tanpa menunggu saat pencegahan bencana lingkungan dan energi berubah menjadi analisis akibatnya. Bagaimanapun, upaya semacam itu, meskipun dengan penundaan, sangat penting tidak hanya untuk masa depan umat manusia, tetapi juga untuk masa depan planet kita.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga akhir pekan Anda menyenangkan, guys! :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?