Náklady na současnou generaci anorganických křemíkových solárních článků jsou velmi vysoké a navzdory padesáti letům vývoje vypadá stále nepravděpodobněji, že by došlo k výraznému průlomu v nákladech a účinnosti s použitím tradičních materiálů. V porovnání s křemíkem slibuje další generace organických solárních článků nízké náklady dané technologií založené na roztocích, které jsou vekoplošně aplikované při pokojové teplotě. Ale většina polymerů používaných v solárních článcích vyžaduje organická rozpouštědla, jako je například xylen, toluen, chloroform a chlorbenzen. Toxicita těchto rozpouštědel je vysoká jak pro člověka, tak pro životní prostředí, což činí jejich použití komplikovaným a nákladným a podkopává tak snahy o získání nízkonákladového, „zeleného“ a obnovitelného zdroje energie.

Existuje mnoho výhod v použití vody jako rozpouštědla. Voda je přijatelná pro životní prostředí, netoxická, nízkonákladová alternativa, která může být bezpečně zpracována. Navíc je voda součástí výrobního procesu, takže zařízení vytvořené z tohoto polymeru je méně citlivé na vlhkost a může vykazovat lepší stabilitu v atmosférických podmínkách.

Proto odborný asistent Qiquan Qiao z Department of Electrical Engineering and Computer Science na South Dakota State University (SDSU) tvrdí, že takzvaná „organická fotovoltaika“ (OPV) je méně nákladná na výrobu, než tradiční zařízení k získávání solární energie.

Tato nová technologie je někdy také uváděna jako „organická elektronika“ – organická proto, že hlavní roli polovodičů v ní hrají uhlíkaté polymery a molekuly namísto tradičního anorganického křemíku.

Od světla k elektřině
„Právě teď je velkou výzvou pro fotovoltaiku vytvoření méně nákladné technologie k získání elektrické energie ze slunečního záření,“ řekl Qiao. „A hlavním úkolem je nalezení nových materiálů a nových konstrukcí zařízení pro efektivní fotovoltaické články. Kouzlo organické fotovoltaiky a organických LED spočívá v nízkých nákladech a flexibilitě. Tato zařízení mohou být konstruována nenákladnými výrobními technologiemi, založenými na vodných roztocích a podobnými malování nebo tisku. Snadnost výroby tak s sebou přináší pokles nákladů, zatímco mechanická flexibilita materiálu otevírá dveře široké oblasti aplikací,“ uzavírá Qiao.

Zvětšit obrázek

Tak vypadá jedna ze slibných molekul ve vodě rozpustné sloučeniny označované zkratkou PTEBS [(sodium poly[2-(3-thienyl)-ethoxy-4-butylsulfonate])], která spolu s nanokrystalickým oxidem titaničitým (spodní obrázek) umožňuje fungování „organických“ fotovoltaických článků.

Organické fotovoltaické články (stejně jako organické LED) jsou vyrobeny z tenkého filmu polovodičových organických směsí. Tyto kombinace směsí mohou absorbovat fotony solární energie. Typicky organický polymer, tedy dlouhý flexibilní řetězec uhlíkatého materiálu, je používán jako spodní vrstva, na kterou jsou naneseny polovodičové materiály v podobě roztoku technikou podobnou inkoustovému tisku počítačové tiskárny.

 
Qiao vysvětluje: „Viditelné sluneční světlo obsahuje asi jenom 50 procent energie slunečního záření. To znamená, že sluneční paprsky obsahují stejně tak neviditelné složky energie, jako ty viditelné. Nové materiály jsou schopny efektivně převést mnohem větší podíl slunečního záření na elektrickou energii. Pracujeme na syntéze nových polymerů s variabilními možnostmi absorbce různých vlnových délek a tím lepšího využití celého spektra slunečního záření. Tak můžeme zdvojnásobit účinnost využití slunečního záření oproti současným běžně využívaným solárním článkům na bázi křemíku.“

Vědci na SDSU plánují využít schopnosti různých sloučenin, přeměňovat rozdílné vlnové délky v elektřinu, k vytvoření mnohovrstevných polymerů pro fotovoltaické články. Tato zařízení by měla využívat mnohavrstevných polymerových filmů, které jsou „vyladěné“ k absorbci rozdílných spektrálních pásem sluneční energie.

Zvětšit obrázek

Qiquan Qiao: „Tato nová technologie například zjednoduší zabudovávání světel do stěn nebo stropů. Ale namísto žárovek nebo zářivek bude světelné zařízení budoucnosti možná vypadat spíš jako plakát. Vývoj spěje mílovými kroky k organické elektronice. “

V ideálním případě jsou fotony, které neabsorbovala první vrstva filmu, absorbovány dalšími vrstvami. Zařízení tak mohou získávat fotony v pásmech od ultrafialového přes viditelné k infračervenému záření, aby tak účinněji převedly celé spektrum sluneční energie na energii elektrickou.

Na opačné cestě
Vědci z SDSU také pracují na opačném postupu, tedy od elektřiny ke světlu: konstruují organické světlo-emitující diody a zaměřují se na vývoj nových materiálů a zařízení pro věrné barevné zobrazení. „I v tomto případě pracujeme na vývoji nových a účinnějších materiálů ke zdokonalení plnobarevných zobrazení,“ řekl Qiao.

 
V současnosti je LED technologie používána většinou pro signální zobrazení. Ale v budoucnosti, až se OLED stanou méně nákladnými a účinnějšími, se s nimi budeme moci setkat v širokém spektru výrobků od domovního osvětlení až po mnohé průmyslové či architektonické aplikace, mnohdy překonávající naši nejbujnější fantazii. Qiao je dokonce přesvědčen, že elektronika budoucnosti bude organická. Přinese ji vynález organického tranzistoru, na kterém už také pracují.ˇ

Zdroj: South Dakota State University