3D-визуализация "внутренностей" солнечных ячеек

Исследователи из Университета технологий Эйндховена (Eindhoven University of Technology) и Университета Ульма (University of Ulm) получили первые 3D-изображения с высоким разрешением внутренней структуры полимерной ячейки солнечной панели. Это позволило взглянуть на её работу под недоступным ранее углом. Работа проливает новый свет на принцип функционирования полимерных фотоэлектрических элементов.

Томографическое 3D-изображение гибридной ячейки. Показано взаимопроникновение оксида металла (жёлтый) под алюминиевым контактом (серый) в полимер (чёрный). Источник: www.3dnews.ru.

Такие устройства не превосходят эффективность кремниевых аналогов. Полимерные элементы, тем не менее, могут быть напечатаны в ходе рулонного процесса производства с большим объёмом выхода продукции, что делает технологию высокорентабельной. Плюс ко всему, эти элементы гибкие и лёгкие, а следовательно пригодные для использования в транспортных средствах, одежде или бытовых предметах, интерьере помещений. Гибридные солнечные ячейки состоят из полимерного материала и оксида металла, на границе которых возникает заряд при попадании солнечного света. Степень включения каждого компонента в смесь существенно влияет на эффективность. Глубокое смешивание расширяет площадь поверхности взаимодействия, на которой формируются заряды, но в то же время затрудняет их перенос, потому как создаёт длинные извилистые пути для них. Крупные области каждого вещества ведут к прямо противоположным результатам. Крайне разнообразный химический состав полимеров и оксидов металлов делает очень сложным контроль за структурой в наномасштабе. Исследователи из Эйндховена смогли во многом обойти проблему с помощью предварительного состава, добавляемого в полимер и превращаемого в оксид металла только после попадания в светочувствительный слой. Такая методика позволяет извлечь до 50% поглощённых фотонов в виде зарядов во внешнюю цепь.

Важность степени смешения компонентов была чётко продемонстрирована визуализацией структуры смеси в трёх измерениях. Обычно такой процесс чрезвычайно сложен, но с использованием трёхмерной электронной томографии команде учёных удалось разрешить состав с беспрецедентной детализацией в наномасштабе. Новые снимки исследователи из Института стохастики (Institute of Stochastics) в Ульме применили для измерения дистанций между двумя компонентами, связанной с эффективностью образования зарядов, и анализа траекторий "просачивания", показывающих количество вещества каждого компонента, связанного с электродом. Такой количественный анализ идеально соответствует наблюдаемой эффективности солнечных ячеек под солнечным светом.

Даже учитывая, что эти ячейки с гибридным полимером находятся среди самых эффективных в своём классе, их 2% коэффициент преобразования должен быть увеличен, чтобы сделать их реально пригодными. Такой цели можно добиться повышением качества морфологии светочувствительной смеси, например, путём создания полимеров, взаимодействующих с оксидами металлов, и разработки материалов или молекул, поглощающих большую часть солнечного спектра. На таком уровне настоящие преимущества солнечных ячеек на основе гибридных полимеров в показателях стоимости и термической стабильности структуры могут эксплуатироваться в полной мере.

Информация с сайта www.3dnews.ru со ссылкой на www.physorg.com.

Автор оригинального текста: Денис Борн.