في الآونة الأخيرة ، يتحدثون بين الحين والآخر عن الطاقة الخضراء ، ومصادرها المتجددة ، وطرق إنتاجها وتخزينها واستخدامها. وهذا منطقي تمامًا ، لأن سكان الكوكب يتزايدون باستمرار ، واحتياطيات مصادر الطاقة الأحفورية آخذة في النضوب بسرعة. عاجلاً أم آجلاً ، قد تأتي لحظة يتم فيها توليد كل الطاقة التي يستخدمها الناس من الشمس والرياح وما إلى ذلك. لذلك ، يشارك العديد من الباحثين في تحسين الأساليب الحالية وخلق طرق جديدة لجمع الطاقة الخضراء. نلقي اليوم نظرة على دراسة طور فيها علماء من جامعة ميشيغان ألواحًا شمسية شفافة (بتعبير أدق). ما هي هذه التقنية التي تم إنشاؤها ، ما هو مبدأ تشغيلها ، وهل يمكن أن تصبح ناطحات السحاب جامعات فعالة للطاقة الشمسية؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء.اذهب.
أسس البحث
كانت الألواح الشمسية نادرة جدًا ، ولكن الآن ، لحسن الحظ ، ازداد توافرها وشعبيتها بشكل كبير. في الآونة الأخيرة ، مررت بمبنى سكني في مدينتي ولاحظت أن جدرانه وسقفه الفارغ مغطى بالكامل بألواح شمسية. تسبب لي هذا في الدهشة والإعجاب بنفس القدر وبحر من الأسئلة المتعلقة بالكفاءة والفوائد الاقتصادية والمزيد. ومع ذلك ، يُظهر هذا المثال التجريبي ميزة واحدة تمامًا - تم تثبيت اللوحات في مكان لا تتداخل فيه (أي ليس على النوافذ).
بالطبع ، هناك حقول كاملة من الألواح الشمسية تغطي مئات الأمتار المربعة (أو حتى أكثر) ، ولكن في المدن ذات الكثافة السكانية العالية وبالتالي المباني ذات الكثافة السكانية العالية ، هناك مساحة خالية قليلة جدًا لطريقة التثبيت هذه. سيقول أحدهم: "إذا أردنا حقًا الطاقة الخضراء والألواح الشمسية ، فسيكون هناك مكان". أوافق ، لكن الواقع لا يزال مختلفًا. قد لا يكون هناك الكثير من المساحة الزائدة بين ناطحات السحاب ، ولكن هناك الكثير من النوافذ ، والتي يمكن أن تصبح نفسها مجمعات للطاقة الشمسية.
في الوقت الحالي ، هناك بالفعل العديد من التطورات في مجال الألواح الشمسية الشفافة ، والتي تصل كفاءتها إلى 7٪. تلعب أشباه الموصلات العضوية دورًا مهمًا في تطورها. بالمقارنة مع أشباه الموصلات غير العضوية ، فإن excitonic الضيقة *تفتح الشرائط داخل أشباه الموصلات العضوية إمكانيات جديدة في مجال الخلايا الكهروضوئية العضوية (يشار إليها فيما يلي بـ OPV للخلايا الكهروضوئية العضوية ) ، نظرًا لأن العديد من المركبات العضوية تمتص الضوء بشكل انتقائي خارج نطاق الطول الموجي المرئي.
Exciton * - الإثارة الإلكترونية في شبه موصل أو عازل أو معدن يتحرك عبر البلورة ولكن لا يرتبط بنقل الشحنة الكهربائية والكتلة.يمكن أن ترضي كفاءة الخلايا الكهروضوئية الشفافة (ST-OPV) بنسبة 7 ٪ العلماء والأشخاص الذين يفهمون صعوبة تحقيق مثل هذا المؤشر باستخدام مثل هذه التكنولوجيا غير القياسية ، ولكن من وجهة نظر الفوائد الاقتصادية ، فإن هذا قليل جدًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جزءًا صغيرًا فقط من ST-OPVs المطورة يحقق شفافية واضحة بنسبة 50٪ ، وهو أمر بالغ الأهمية للعديد من التطبيقات.
نتيجة لذلك ، لإنشاء ST-OPV ، من الضروري إيجاد توازن بين كفاءة حصاد الطاقة ومستوى كافٍ من الشفافية ، وهي ليست مهمة سهلة. يضيف العلماء أيضًا أن العديد من ST-OPVs التي تم إنشاؤها بالفعل لها مظهر غير جمالي للغاية (غطاء زجاجي) ، والذي لا يساهم أيضًا في تعميم هذه التقنية.
حتى الآن ، تركز ST-OPVs ذات الألوان المحايدة الفعالة بشكل أساسي على استخدام المواد ذات الامتصاص القوي للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) ، بما في ذلك هياكل الأجهزة متعددة الوصلات لتقليل فقد الحرارة ، أو الطلاءات المضادة للانعكاس (ARC) أو العاكسات العازلة غير الدورية (ADR) لزيادة استيعاب.
في العمل الذي ندرسه اليوم ، يصف العلماء نسختهم من ST-OPV ، والتي تصل إلى PCE = 10.8 ± 0.6٪ و APT = 45.7 ± 2.1٪ ، مما يؤدي إلى LUE = 5.0 ± 0.3.
PCE* — (power conversion efficiency);يستخدم الجهاز جزيء NFA (غير متقبل للبوليرين) مع امتصاص عالي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة ، الأمر الذي يتطلب بضع خطوات فقط للتوليف. على الرغم من حقيقة أن NFAs لها هياكل حلقة مكثفة جزئيًا (بدلاً من الهياكل الصلبة والمكثفة تمامًا) ، لوحظت تفاعلات قوية بين الجزيئات π - وتعبئة جزيئية قريبة فيها ( 1A ).
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
Image # 1
مزيج المواد التي تمتص الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة ، وإخراج (إخراج الفوتونات من LED بعد التوليد) الهياكل (OC من التقارن ) على سطح الإخراج والأقطاب الكهربائية الشفافة جعل من الممكن تحقيق نفس التوافق بين الكفاءة والشفافية والجماليات.
أظهر ST-OPV ذو اللون المحايد باستخدام أنود أكسيد قصدير الإنديوم الشفاف (ITO من أكسيد قصدير الإنديوم ) PCE = 8.1 ± 0.3٪ ، APT = 43.3 ± 1.5٪ ، و LUE = 3.5 ± 0.1٪. كانت مؤشرات الضوء المار عبر الجهاز كما يلي: مؤشر تجسيد اللون (CRI) = 86 ؛ درجة حرارة اللون المرتبطة (CCT) = 4143 كلفن ؛ إحداثيات لونية - (0.38 ، 0.39).
نتائج البحث
تُظهر الصورة 1A الهياكل الجزيئية لـ NFAs الثلاثة التي تم اختبارها ، أظهر أحدها (وهو SBT-FIC) العمود الفقري الجزيئي المدمج بالكامل. اثنين من NFAs الآخرين (A078 و A134) مع النوى المنصهرة جزئيًا هي أيزومرات SBT-FIC تحتوي على أربعة ثيوفين ، واثنين من البنتادين الحلقي ، وحلقة بنزين.
أحد الاختلافات الرئيسية بين NFAs الثلاثة هو تعقيد التوليف. يتطلب إجراء SBT-FIC 10 خطوات تركيبية ، بينما يتطلب إجراء A078 و A134 4 إلى 6 خطوات فقط. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر A078 و A134 جذابة نظرًا لإنتاجها المرتفع نسبيًا ، فضلاً عن مواد أقل سمية وأرخص تكلفة للتوليف.
أطياف امتصاص NFA في النطاق المرئي للأشعة فوق البنفسجية موضحة في 1B و 1C... من المثير للدهشة أن الأغشية الرقيقة A078 و A134 تُظهِر تحولات كبيرة في لون الحمام * ~ 135 نانومتر مقارنة بـ SBT-FIC مع ذروة امتصاص عند λmax = 900 نانومتر.
تحول Batochromic * - تحول النطاق الطيفي إلى منطقة الموجة الطويلة تحت تأثير البدائل أو التغيرات في البيئة.أظهر قياس الجهد الدوري لجزيئات NFA أن طاقات المدار الجزيئي الأعلى المشغول * (HOMO) وأدنى المدار الجزيئي الشاغر (LUMO) لـ SBT-FIC كانت EH = -5.81 (± 0.02) و EL = -4.15 (± 0.03) فولت. بالنسبة لـ A078 ، كانت المؤشرات 5.58 (± 0.02) و -4.06 (± 0.03) فولت. وبالنسبة لـ A134: -5.54 (± 0.02) و -4.05 (± 0.03) فولت.
* — , .يُظهر A078 و A134 فجوة نطاق HOMO-LUMO أقل (∼1.40 eV) من SBT-FIC (∼1.65 eV) ، وهو ما يتوافق مع القياسات البصرية.
( ) — , .
( ) — .
علاوة على ذلك ، تم استخدام NFA الممزوج بـ PCE-10 في OPV مع بنية ITO / ZnO (30 نانومتر) / الطبقة النشطة (∼100 نانومتر) / MoO 3 (20 نانومتر) / Ag (100 نانومتر).
الصورة رقم 2 يوضح
الرسم البياني 2 أ الكثافة الحالية وخصائص الجهد لما تم وصفه أعلاه NFA + PCE-10.
في جهاز يعتمد على A078 ، تم تحقيق المعلمات التالية: PCE = 13.0 ± 0.4٪ ، VOC = 0.75 ± 0.01 B ، JSC = 24.8 ± 0.7 مللي أمبير / سم 2 و FF = 0.70 ± 0.04.
أظهر جهاز OPV المعتمد على A134: PCE = 7.6 ± 0.2٪ مع VOC = 0.75 ± 0.01 V ، JSC = 16.7 ± 0.5 مللي أمبير / سم 2 و FF = 0.61 ± 0.03.
بالنسبة لجهاز PCE-10: SBT-FIC ، كانت المؤشرات على النحو التالي: PCE = 7.8 ± 0.3٪ مع VOC = 0.70 ± 0.01 V ، JSC = 17.2 ± 0.7 مللي أمبير / سم 2 و FF = 0.65 ± 0.02.
تجدر الإشارة إلى أن إضافة 1-فينيل ناتالين (PN) يؤدي إلى زيادة كبيرة في كفاءة الأجهزة A078 و A134 مقارنةً بـ SBT-FIC ، والذي يرتبط بالتعبئة الجزيئية المحسنة لـ A078 و A134 ، فضلاً عن التوجيه الأكثر ملاءمة للجزيئات في الخليط. يمكنك أيضًا رؤية أن جهاز PCE-10: A134 يعرض PCE أقل مقارنةً بـ OPV PCE-10: A078. ويرجع ذلك إلى تبلور A134 ، مما يؤدي إلى انخفاض قابليته للذوبان. يوضح
الرسم البياني 2 ب كفاءة الكم الخارجية * (EQE) أطياف متغيرات الأجهزة المختلفة.
الكفاءة الكمية * - نسبة عدد الفوتونات التي تسبب امتصاصها في تكوين أشباه الجسيمات إلى العدد الإجمالي للفوتونات الممتصة.يرجع التحسن الكبير في JSC لـ A078 على SBT-FIC OPV إلى انزياح أحمر الامتصاص بمقدار 200 نانومتر * ، والذي يوفر تغطية للطيف الشمسي بشكل أكبر في NIR.
الانزياح الأحمر * هو ظاهرة يزداد فيها الطول الموجي للإشعاع (يصبح الضوء أكثر احمرارًا ، على سبيل المثال) ، وينخفض التردد والطاقة.يصل EQE A078 OPV إلى 80٪ ، بين λ = 700 و 900 نانومتر ، تاركًا نافذة شفافية بين الأطوال الموجية المرئية من 400 إلى 650 نانومتر.
الصورة رقم 3 توضح
الرسوم البيانية 3A - 3C ملفات تعريف الأجهزة المختلفة بناءً على أفلام NFA النقية و PCE-10: خليط NFA مع / بدون 1-phenylnatalene.
مع إضافة 1-فينيل ناتالين ، فإن مؤشر الامتصاص الخاص بغشاء PCE-10: NFA لم يتغير عمليًا. ولكن في الخلائط PCE-10: A078 و PCE-10: A134 ، تم العثور على ذروة جديدة واضحة للتجميع عند حوالي 900 نانومتر. يشير هذا إلى أن إضافة 1-phenylnatalene يعزز التفاعلات بين الجزيئات π - في المستقبلات المرتبطة جزئيًا بدلاً من مانح البوليمر.
علاوة على ذلك ، تمت دراسة الخصائص المورفولوجية للمتغيرات المختلفة للجهاز.
يُظهر A078 ذروة حيود عريضة (100) عند 0.31 Å - 1 بطول تماسك رقائقي L c = 7.5 نانومتر. في حالة A134 ، كانت ذروة الانعراج أضيق وأكثر حدة عند 0.36 Å - 1 بقيمة أعلى من L c = 15 نانومتر. ويترتب على ذلك أن A134 له ترتيب أعلى من A078 ، وهو ما يفسره استبدال السلسلة الجانبية الضخمة لجزيء p-hexylphenyl بسلاسل ألكيل خطية مدمجة.
يُظهر SBT-FIC ، بدوره ، ذروة حيود عند 0.34 Å - 1 مع أقصر طول تماسك رقائقي L c = 3.7 نانومتر بسبب طبيعته غير المتبلورة.
نظرًا لإضافة 1-فينيل ناتالين ، فإن ذروة الانعراج (010) PCE-10: A078 و PCE-10: A134 ( 3E) عند 1.79 و 1.82 Å - 1 (بسبب NFA) وإظهار طول تماسك متزايد (24 مقابل 52 Å لـ A078) و (30 مقابل 63 لـ A134).
لكن إضافة المواد المضافة إلى PCE-10 لا يؤثر على قيمة التماسك بأي شكل من الأشكال. هذا يؤكد أن الاختلافات المورفولوجية بين متغيرات الجهاز تأتي من NFA وليس من المتبرع.
بالإضافة إلى ذلك ، عند استخدام 1-فينيل ناتالين ، تم العثور على اعتماد على اتجاه الجزيئات (المتوازية أو العمودية). بالنسبة لـ PCE-10: A078 ، تزداد النسبة المتوازية / العمودية من 2.37 إلى 3.64 ( 3D ). نظرًا لأن الاتجاه الموازي للجزيئات يعد مثاليًا لنقل الشحنة ، يصبح من الواضح لماذا يتمتع الجهاز A078 بكفاءة عالية (مقارنة بالخيارات الأخرى).
في ضوء هذه البيانات ، تم استخدام A078 في الخلايا الكهروضوئية شبه الشفافة التي تم فحصها (ST-OPV) ، والتي بدا هيكلها على النحو التالي: ITO / ZnO (30 نانومتر) / PCE-10: A078 (95 نانومتر) / MoO 3 (20 نانومتر) / Ag (16 نانومتر).
الصورة رقم 4
أظهرت ST-OPV المستلمة LUE = 2.8 ± 0.1٪ ، PCE = 11.0 ± 0.7٪ و APT = 25.0 ± 1.3٪. ومع ذلك ، على الرغم من PCE الجيد> 10٪ ، لا يمكن استخدام هذا الجهاز في الهندسة المعمارية ، لأنه يتطلب أن يكون متوسط نفاذية الضوء لـ APT حوالي 50٪.
تمكن العلماء من حل هذه المشكلة بفضل الهيكل المصمم خصيصًا للتحكم في الخصائص البصرية للجهاز ، مما يسمح بتحقيق أقصى قدر من الإرسال في النطاق المرئي والانعكاس الأقصى في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.
تم تطبيق طلاء OC بصري على الأنود الفضي ، ويتكون من أربع طبقات: CBP (C 36 H 24 N 2 ؛ سمك الطبقة 35 نانومتر ، معامل الانكسار 1.90) / MgF 2 (100 نانومتر ، 1.38) / CBP (70 نانومتر) / MgF 2 (45 نانومتر). وعلى السطح البعيد للركيزة الزجاجية المطلية بـ ARC (طبقة مادة مضادة للانعكاس) تتكون من طبقة ثنائية MgF 2 (120 نانومتر) و SiO 2 (130 نانومتر) مع معامل انكسار منخفض بدرجة كافية 1.12.
أظهر ST-OPV مع OC و ARC زيادة في متوسط نفاذية الضوء (APT) من 25.0 ± 1.3٪ إلى 45.7 ± 2.1٪ ، وهو تحسن بنسبة 80٪ تقريبًا مقارنة بجهاز بدون طبقات إضافية (أي بدون OC و ARC) ... ظلت قيمة كفاءة تحويل الطاقة (PCE) دون تغيير عمليًا ( 4C ). لوحظ فقط انخفاض طفيف في كثافة التيار (JSC = 20.4 ± 0.8 مقابل 20.9 ± 1.2 مللي أمبير / سم 2 ). مع تكوين هذا الجهاز ، كانت كفاءة استخدام الضوء LUE = 5.0 ± 0.3٪. هذا الرقم ، وفقًا للعلماء ، هو الأعلى بين أجهزة ST-OPV المتاحة حاليًا.
المؤشرات الرئيسية للجهاز المطور واعدة ، ويبقى دراسة مظهره ، والذي تم عن طريق محاكاة ضوء الشمس (AM1.5G).
يحتوي الضوء المرسل عبر الجهاز مع طلاء OC و ARC على إحداثيات لونية (0.33 ، 0.39) و CCT = 5585 K. وفي الوقت نفسه ، فإن الانعكاس العالي للكاثود الفضي الرقيق للغاية عند λ> 600 نانومتر يعطي الجهاز لونًا أخضر. على عكس Ag ، تتمتع ITO بشفافية أعلى مع طيف إرسال مسطح في المنطقة المرئية. ينتج عن استخدام كاثود ITO والأنود ظلًا أكثر حيادية.
الصورة رقم 5
توضح الرسوم البيانية والصورة أعلاه الخصائص الطيفية للكثافة الحالية والجهد و EQE لجهاز ST-OPV القائم على ITO مع الهيكل التالي: MgF 2(120 نانومتر) / زجاج ITO / ZnO (30 نانومتر) / PCE-10: A078 (105 نانومتر) / MoO 3 (20 نانومتر) / ترسيب ITO (140 نانومتر) / MgF 2 (145 نانومتر) / MoO 3 (60 نانومتر) ) / MgF 2 (190 نانومتر) / MoO 3 (105 نانومتر).
مقارنةً بـ ST-OPV القائم على Ag ، يُظهر جهاز ITO اختلافات في FF و VOC نظرًا لوظيفة العمل العالية * ومقاومة السطح (~ 50 أوم / مربع).
وظيفة العمل * هي الطاقة التي يجب أن يستقبلها الإلكترون لإزالته من حجم المادة الصلبة.ولكن لوحظت أهم الفروق في درجات JSC و PCE. عندما يصبح الجهاز أكثر وأكثر شفافية ، يتم تقليل الانعكاس من أنود ITO إلى المنطقة النشطة الرقيقة ، مما يلغي المرور المزدوج للفوتونات. لتقليل فقد الفوتونات منخفضة الطاقة ، تم تصميم طلاء OC خصيصًا لتحقيق أقصى قدر من الإرسال في الطيف المرئي وانعكاسية أعلى في أطوال موجية أطول. وبالتالي ، فإن الجهاز المطلي OC يحتوي على قيم JSC و PCE أعلى بنسبة 15٪ مقارنة بجهاز ITO غير المصقول ، على الرغم من أن الشفافية الظاهرة لم تتغير عمليًا.
يعرض جهاز ITO المطلي OC LUE = 3.5 ± 0.1٪ ، PCE = 8.1 ± 0.3٪ و APT = 43.3 ± 1.5٪ ، وله ظل محايد تقريبًا. كما أظهر تحليل الجهاز قيد الاختبار أنه ينقل لون الكائن خلفه ( 5D ).
لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.
الخاتمة
المدن مليئة بالمنازل (نأسف لما هو واضح) ، وبالتالي هناك الكثير من النوافذ. يعد استخدامها كمنصة لتجميع الطاقة الشمسية فكرة معقولة للغاية ، ولكن من الصعب تنفيذها. من ناحية ، من الضروري جمع أقصى قدر من الطاقة ، ومن ناحية أخرى ، فإن جوهر النافذة هو أنها شفافة.
في هذا العمل ، كان العلماء قادرين على إظهار نموذج أولي عامل لجهاز خلية ضوئية شبه شفافة مع PCE = 10.8 ± 0.6٪ ، APT = 45.7 ± 2.1٪ و LUE = 5.0 ± 0.3٪. أي أن كفاءة الجهاز بلغت 10.8٪ وشفافيته 45.8٪. الميزة الرئيسية لهذا التطور هي التوازن بين هذه المؤشرات.
في الوقت الحالي ، تبلغ كفاءة استخدام الضوء حوالي 5٪ ، وهو أمر جيد بالفعل ، لأن الأسلاف يمكن أن يعطوا 2-3٪ كحد أقصى. ومع ذلك ، يعتزم العلماء مواصلة عملهم والوصول إلى 7٪. التحدي الآخر الذي وضعوه لأنفسهم هو إطالة عمر خدمة الجهاز إلى 10 سنوات. يمكن للخلايا الشمسية ، التي تدوم طويلاً وفعالة وجمالية ، أن تحول مبنى مكتبي عاديًا إلى نوع من محطات الطاقة الشمسية.
أود أن أقول إن مثل هذه الدراسات جاءت في الوقت المناسب ، لكن هذا ليس هو الحال. مثل هذه التطورات ، لا سيما على مثل هذا النطاق الهائل كما هو الحال الآن ، كان ينبغي القيام بها قبل ذلك بكثير ، دون انتظار اللحظة التي يتحول فيها منع وقوع كارثة بيئية وكارثة للطاقة إلى تحليل للعواقب. على أي حال ، فإن مثل هذه التعهدات ، وإن كانت متأخرة ، لها أهمية كبيرة ليس فقط لمستقبل البشرية ، ولكن أيضًا لمستقبل كوكبنا.
شكرًا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة يا شباب! :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا من خلال تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابية للمطورين من 4.99 دولارًا أمريكيًا ، وهو تناظرية فريدة من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10 جيجا بايت DDR4 480 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14C 64 جيجا بايت DDR4 4x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تلفزيون من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟