Photovoltaics อินทรีย์: บทนำ
Photovoltaics อินทรีย์คืออะไร?
เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ (OPV) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางเนื่องจากคุณสมบัติที่มีแนวโน้มเช่นความสามารถในการแปรรูปของสารละลายคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ปรับได้การผลิตในอุณหภูมิต่ำและวัสดุราคาถูกและเบา ในขณะที่เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ มีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่ OPV ยังคงได้เปรียบเนื่องจากความเป็นพิษของวัสดุต้นทุนและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ พวกเขาได้รับการรับรองประสิทธิภาพเกินกว่า 13% จนถึงปัจจุบันใกล้เคียงกับค่าประสิทธิภาพที่ได้รับจากเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนเชิงพาณิชย์ราคาประหยัด 1,2 สามารถดูภาพรวมของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์สเปกตรัมของแสงอาทิตย์และพารามิเตอร์ทางกายภาพที่สำคัญที่ใช้ในการวัดเซลล์ได้ ใน Ossila Solar Cells: A Guide to Theory and Measurement ซึ่งแนะนำให้อ่านเพิ่มเติมในบทความนี้
OPV คืออะไร?
เซลล์ OPV เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดหนึ่งที่ชั้นดูดซับอาศัยสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ (OSC) – โดยทั่วไประบบโซล่าเซลล์จะเป็นโพลีเมอร์หรือโมเลกุลขนาดเล็ก สำหรับวัสดุอินทรีย์ที่จะกลายเป็นตัวนำหรือเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องมีการผันคำกริยาในระดับสูง (การสลับพันธะเดี่ยวและพันธะคู่) การผันคำกริยาของโมเลกุลอินทรีย์ส่งผลให้อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับพันธะคู่กลายเป็นความคลาดเคลื่อนไปตลอดความยาวของการผันคำกริยา อิเล็กตรอนเหล่านี้มีพลังงานสูงกว่าอิเล็กตรอนอื่น ๆ ในโมเลกุลและเทียบเท่ากับเวเลนซ์อิเล็กตรอนในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อนินทรีย์
อย่างไรก็ตามในวัสดุอินทรีย์อิเล็กตรอนเหล่านี้ไม่ได้ครอบครองวงเวเลนซ์ แต่เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่เรียกว่า ‘ออร์บิทัลโมเลกุลที่มีการครอบครองสูงสุด’ (HOMO) เช่นเดียวกับในเซมิคอนดักเตอร์อนินทรีย์มีระดับพลังงานที่ไม่ว่างในพลังงานที่สูงขึ้น ในวัสดุอินทรีย์สิ่งแรกเรียกว่าออร์บิทัลโมเลกุลที่ไม่มีการกักเก็บต่ำสุด (LUMO) ระหว่างออร์บิทัลโมเลกุลที่ถูกครอบครองสูงสุด (HOMO) และออร์บิทัลโมเลกุลที่ไม่มีการกักเก็บต่ำสุด (LUMO) ของ OSC คือช่องว่างด้านพลังงานซึ่งมักเรียกกันว่าช่องว่างวงดนตรีของวัสดุ ด้วยการผันคำกริยาที่เพิ่มขึ้นช่องว่างของวงดนตรีจะมีขนาดเล็กพอสำหรับแสงที่มองเห็นได้เพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนจาก HOMO ไปยัง LUMO
OPVs ทำงานอย่างไร?
เช่นเดียวกับเทคโนโลยี PV อื่น ๆ วัตถุประสงค์ของ OPV คือการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงแดด สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้เมื่อพลังงานของแสงเท่ากับหรือมากกว่าช่องว่างของวงซึ่งนำไปสู่การดูดซับและกระตุ้นอิเล็กตรอน – จาก HOMO ไปยัง LUMO อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะทิ้งพื้นที่ที่มีประจุไฟฟ้าบวกซึ่งเรียกว่า “หลุม” เนื่องจากประจุตรงข้ามของโฮลและอิเล็กตรอนจึงดึงดูดและรวมตัวกันเป็นคู่อิเล็กตรอน – โฮลหรือที่เรียกว่า ‘exciton’ ในการกำจัดอนุภาคที่มีประจุออกจากเซลล์แสงอาทิตย์จะต้องแยกคู่ของรูอิเล็กตรอนออกและกระบวนการนี้เรียกว่า “exciton dissociation”
โดยทั่วไปในเซมิคอนดักเตอร์อนินทรีย์แรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนและโฮล (เรียกว่าพลังงานผูกมัด exciton, Eb) มีขนาดเล็กพอที่จะเอาชนะได้ด้วยพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 26 meV) 3 เนื่องจากค่าคงที่เป็นฉนวนสูง – หมายความว่ามีการคัดกรองอย่างมีนัยสำคัญระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลซึ่งจะลดแรงดึงดูดระหว่างกัน ความสะดวกในการแยกอิเล็กตรอนและรูช่วยให้สามารถแยกตัวออกจากกันได้ง่าย
ในทางตรงกันข้าม OSC มีค่าคงที่เป็นฉนวนต่ำโดยให้ค่า Eb มากในช่วง 0.3-0.5eV.4 ด้วยเหตุนี้การแยกตัวของ exciton จึงไม่สามารถทำได้โดยพลังงานความร้อนเพียงอย่างเดียวใน OSC เพื่อเอาชนะสิ่งนี้จำเป็นต้องมี OSC ที่แตกต่างกันอย่างน้อยสองรายการภายใน OPV ระดับพลังงานระหว่าง OSC ที่แตกต่างกันทั้งสองจะถูกหักล้างโดยความแตกต่างจะมากกว่าEb¬ทำให้การแยกตัวของ exciton เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างพวกเขา
ขึ้นอยู่กับว่า exciton แยกตัวออกอย่างไร OSCs ถูกจัดประเภทเป็น “ผู้บริจาค” หรือ “ผู้รับ” (หมายถึงว่าอิเล็กตรอนได้รับการบริจาคจากวัสดุหรือได้รับการยอมรับจากวัสดุ) ใน OPV ส่วนใหญ่ผู้บริจาคจะดูดซับแสงมากที่สุดดังนั้นจึงมีการสร้าง exciton ขึ้นบนวัสดุนี้ ที่อินเทอร์เฟซกับตัวรับ exciton จะแยกตัวออก อิเล็กตรอนจะถูกบริจาคให้กับวัสดุรับซึ่งมีระดับ HOMO และ LUMO ที่ลึกกว่าในขณะที่รูยังคงอยู่บนวัสดุของผู้บริจาค
การพัฒนา OPV
OPV สององค์ประกอบแรกได้รับการเสนอโดย Tang ในปี 1986,8 แต่ประสิทธิภาพยังคงต่ำมากเป็นเวลาหลายปีเนื่องจากการพึ่งพาเซลล์ bilayer Excitons สามารถแยกตัวออกได้เฉพาะที่ส่วนต่อประสานระหว่างผู้บริจาคและผู้รับและโดยทั่วไปสามารถแพร่กระจายประมาณ 10 นาโนเมตรก่อนที่จะสลายตัวกลับสู่สถานะพื้นดินเท่านั้นในทางตรงกันข้ามความหนาของชั้นแอคทีฟรวมที่สูงกว่า 100 นาโนเมตรมักจะต้องดูดซับแสงอย่างมีประสิทธิภาพ – หมายถึงเซลล์ bilayer มีความบางเกินไปที่จะดูดซับได้อย่างเหมาะสมหรือหนาเกินไปสำหรับการแยกตัวของสารกระตุ้นที่มีประสิทธิภาพ
วิธีการแก้ปัญหานี้ได้รับการเสนอในปี 1995 และเป็นที่รู้จักกันในชื่อเซลล์ heterojunction (BHJ) จำนวนมาก 9,10 ที่นี่แทนที่จะเป็นระบบสองชั้นที่เข้มงวดวัสดุของผู้บริจาคและผู้รับจะผสมกันอย่างใกล้ชิดในระดับนาโนซึ่งทำให้อินเทอร์เฟซที่ ระยะการแพร่กระจายที่เหมาะสมที่จะกระจายไปทั่วชั้นที่ใช้งานอยู่ในขณะที่รักษาความหนาที่จำเป็นสำหรับการดูดซึม
OPV ทำมาจากอะไร?
OPV ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการวิจัยสมัยใหม่คือเซลล์ BHJ ที่ประมวลผลด้วยโซลูชันซึ่งสถาปัตยกรรมสามารถจำแนกได้ว่าเป็นแบบธรรมดาหรือแบบกลับด้านขึ้นอยู่กับการวางแนวของอิเล็กโทรด (ภาพที่ 5) ยังมีงานวิจัยจำนวนหนึ่งที่ใช้ planar bilayer junctions18 ในการวิจัย แต่จะไม่กล่าวถึงในที่นี้
การขนส่งของผู้ให้บริการประจุไฟฟ้าได้รับการอำนวยความสะดวกโดยชั้นอินเทอร์มาเชียลของการขนส่งด้วยรูและอิเล็กตรอนที่ด้านใดด้านหนึ่งของชั้นที่ใช้งานอยู่ ชั้นลำเลียงแบบรู (HTL) ทั่วไปในสแต็กทั่วไปคือ PEDOT: PSS ซึ่งมักจับคู่กับขั้วบวก ITO ในขณะที่ชั้นลำเลียงอิเล็กตรอน (ETL) ทั่วไปคือแคลเซียมซึ่งมักจับคู่กับแคโทดอลูมิเนียม ชั้นเหล่านี้ส่งเสริมการขนส่งของผู้ให้บริการประจุชนิดหนึ่งผ่านการกำหนดตำแหน่งระดับพลังงานที่เหมาะสมในขณะที่ไม่สนับสนุนการขนส่งของผู้ขนส่งรายอื่น ดังนั้นบางครั้ง HTL จึงถูกเรียกว่าเลเยอร์บล็อกอิเล็กตรอนและในทางกลับกัน
เป็นเวลาหลายปีตัวรับส่วนใหญ่ที่ใช้มาจากฟูลเลอรีน (โดยปกติจะอยู่ในรูปของ PCBM) อย่างไรก็ตามเมื่อเร็ว ๆ นี้มีการเคลื่อนไหวอย่างมีนัยสำคัญต่อตัวรับที่ไม่ใช่ฟูลเลอรีน (NFAs) โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวรับที่อาศัยโมเลกุลขนาดเล็ก สิ่งเหล่านี้ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น 1 และความเสถียร 19 กว่าตัวรับที่ใช้ฟูลเลอรีน (มีรายละเอียดเพิ่มเติมในภาพรวมนี้และในโพสต์ที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้) เมื่อเทียบกับตัวรับฟูลเลอรีนทั่วไปซึ่งมีการดูดซับแสงที่ไม่ดีในระบอบการปกครองที่มองเห็นได้โดยทั่วไป NFAs ได้รับการออกแบบมาให้ดูดซับได้สูงทำให้สามารถสร้าง exciton ได้ทั้งในส่วนประกอบของผู้บริจาคและตัวรับของชั้นที่ใช้งานอยู่
OSC ของผู้บริจาคมีความแตกต่างกันมากขึ้น แต่มักใช้โพลีเมอร์ ตัวอย่างวัสดุสำหรับผู้บริจาคที่มีประสิทธิภาพสูง ได้แก่ PBDB-T และ PTB7 โดยทั่วไปผู้บริจาคจะถูกจัดประเภทตามช่องว่างของวงและเรียกว่าช่องว่างแถบกว้าง (> 1.8eV) เช่น P3HT ช่องว่างแถบกลาง (1.6-1.8eV) เช่น PCDTBT; หรือช่องว่างวงแคบ (<1.6eV) เช่น PTB7
การประดิษฐ์และการกำหนดลักษณะของ OPV
วิธีการที่โดดเด่นของการกำหนดลักษณะ OPV คือเส้นโค้งความหนาแน่น – แรงดันไฟฟ้าในปัจจุบัน (‘เส้นโค้ง JV’) ซึ่งจะกล่าวถึงอย่างละเอียดในเซลล์แสงอาทิตย์: คู่มือทฤษฎีและการวัด พารามิเตอร์หลักที่ดึงมาจากเส้นโค้ง JV คือความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจร JSC; แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด VOC; เติมปัจจัย FF; และประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน PCE หรือซึ่งส่วนหลังมักเรียกกันง่ายๆว่า “ประสิทธิภาพ” โดยทั่วไปพฤติกรรม OPV JV จะถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้แบบจำลองวงจรเทียบเท่าซึ่งวรรณกรรมได้กล่าวถึงในรายละเอียดอย่างมาก 20
วิธีการหาลักษณะอื่น ๆ ที่ได้รับความนิยม ได้แก่ ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) การวัดความเสถียรและการประเมินการดูดซับและการเรืองแสงของชั้นที่ใช้งานอยู่
ข้อ จำกัด พื้นฐานเกี่ยวกับประสิทธิภาพ
ในขณะที่ประสิทธิภาพของ OPV เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่มีการเปิดตัว แต่ข้อ จำกัด พื้นฐานเกี่ยวกับประสิทธิภาพยังคงอยู่ การอภิปรายที่สำคัญเกี่ยวกับประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ได้รับการตีพิมพ์ในปี 1961 โดย Shockley และ Queisser 21 ซึ่งสรุปได้ว่าสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบแยก p-n ทั่วไปประสิทธิภาพสูงสุดคือ 30% โดยมีช่องว่างวงดนตรีที่เหมาะสม 1.1eV ที่นี่ประสิทธิภาพจะสูญเสียไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เนื่องจากพลังงานแสงเข้าสู่อุปกรณ์ไม่เพียงพอ พลังงานของแสงที่ดูดซับสูงกว่าช่องว่างของวงส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการระบายความร้อนของอิเล็กตรอนการสูญเสียเอนโทรปิกและการรวมตัวกันของการแผ่รังสี
การขยายแบบจำลองที่เสนอในปี 2504 เป็น OPV ได้นำไปสู่การเสนอประสิทธิภาพสูงสุดที่หลากหลายซึ่งแตกต่างกันไปตั้งแต่ 15% 22 ถึงเกิน 20% 23 ข้อ จำกัด หลักในที่นี้ถูกอ้างถึงเป็นสัณฐานวิทยาของ BHJ การดูดซับที่แคบการขนส่งและการเคลื่อนย้ายของตัวพาประจุที่ลดลงและการรวมตัวกันใหม่ที่สูงซึ่งนำไปสู่การสูญเสียแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่การรวมตัวกันใหม่ของการแผ่รังสีบางส่วนเป็นสิ่งที่อยู่ภายในเซลล์ แต่สามารถหลีกเลี่ยงการรวมตัวกันใหม่ที่ไม่ใช่การแผ่รังสีได้และการลดลงเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพ
อนาคตของ OPV
ในขณะที่วรรณกรรม OPV ส่วนใหญ่ยังคงมุ่งเน้นไปที่ค่าประสิทธิภาพ แต่ประเด็นหลักที่ จำกัด การใช้งานเชิงพาณิชย์ของ OPV คือความสามารถในการปรับขนาดและความเสถียรในระยะยาว วรรณกรรมบางเรื่องได้เสนอว่าประสิทธิภาพที่ได้รับในปัจจุบันสามารถแข่งขันกับเทคโนโลยีอื่น ๆ ได้หากปรับขนาดอย่างเหมาะสม 24 ปัจจุบันมีการพิจารณาเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับความซับซ้อนของวัสดุสังเคราะห์หรือเทคนิคการสะสมที่ปรับขนาดได้ที่เหมาะสมดังนั้นสิ่งเหล่านี้จึงน่าจะเป็นพื้นที่ของ มุ่งเน้นไปที่อนาคตพร้อมกับระบบตัวทำละลายที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม 25
OPV ต้องดิ้นรนกับความมั่นคงในระยะยาวส่วนใหญ่เกิดจากความเสียหายจากน้ำและออกซิเจนเข้า การอภิปรายเชิงลึกเกี่ยวกับปัจจัยที่มีผลต่อเสถียรภาพสามารถพบได้ในบล็อกโพสต์ Ossila ก่อนหน้านี้ การปรับปรุงในพื้นที่นี้น่าจะพบได้จากความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับ NFAs เนื่องจากวัสดุกลุ่มนี้แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาที่สำคัญในแง่ของความมั่นคงในระยะยาว 19
NFAs ยังมีแนวโน้มที่จะเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพต่อไป การศึกษาบางชิ้นแสดงให้เห็นถึงการสูญเสียการรวมตัวกันใหม่ที่ไม่ใช่การแผ่รังสีใน NFAs อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับตัวรับฟูลเลอรีนแบบเดิม 26 และตัวรับบางตัวแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำงานกับการชดเชย LUMO ที่น้อยมาก 27,28 กลไกที่แน่นอนของการลดการรวมตัวกันใหม่ที่ไม่ใช่การแผ่รังสีและการแยกตัวของสารกระตุ้นในสิ่งเหล่านี้ ระบบยังอยู่ระหว่างการหารือ แต่น่าจะยังคงเป็นประเด็นสำคัญในการตรวจสอบเนื่องจากการศึกษา OPV ก้าวไปข้างหน้า
