В последние годы наблюдается быстрое улучшение эффективности органических солнечных элементов на основе полупроводниковых полимеров, которые уже достигают эффективности преобразования солнечного света >7% при естественном солнечном освещении. Все это в сочетании с их низкой стоимостью, гибкостью и легкостью, делает этот тип солнечных батарей все более привлекательными как для энергоснабжения, так и для портативной электроники.
Одним из основных преимуществ органических солнечных элементов является то, что их изготовление довольно дешево, и их можно производить в больших объемах за счет печати органических полупроводниковых чернил на тонкие пластиковые подложки. Тем не менее, проблема стоимости оксида индия и олова (ITO), который используется в качестве электрода на фронтальной поверхности ячейки, представляет проблему и тут: это большие нежелательные затраты, как и в случае светодиодов. Кроме того, во всей оптоэлектронике сегодня стремятся к гибкости, а ITO является довольно хрупким и может не выдержать использования на гибких подложках без растрескивания. Как избежать этих ограничений за счет использования альтернативных материалов электродов и геометрии устройства – вот важнейшая задача исследований в течение последних лет. Сложность заключается в том, чтобы найти такие электроды, которые были бы не только достаточно надежными и недорогими, но и сочетали бы в себе высокую оптическую прозрачность с высокой электрической проводимостью.
К счастью, похоже, что создание ячеек без ITO с разумной производительностью уже не за горами. Один из путей к созданию солнечных батарей без ITO лежит через использование прозрачного полимерного электрода на основе легированного производного политиофена PEDOT, с или без металлического токоприемника. Токоприемник, который собирает фототоки на границе прозрачного электрода, обладает высокой проводимостью, но его недостатком является низкая прозрачность. В некоторых масштабах использование токоприемников всегда будет необходимо для фотоэлектрических модулей, так как ни один из прозрачных электродных материалов на сегодняшний день не обеспечивает как высокую прозрачность, так и достаточно высокую электропроводность. Были использованы новые геометрии токоприемников (например, шестиугольники) размера 0,1-1 мм с последующим использованием травления с помощью фоторезистов или мягкой литографии. Также проводились подобные исследования с использованием альтернативных способов нанесения токоприемника.
Другой популярный подход заключается в использовании тонких, прозрачных наноструктурированных электродов на основе нанопроводов из серебра или меди, часто нанесенных на прозрачный электрод PEDOT, нанесенный из раствора. Такие нанопровода обеспечивают пути фототока с низким сопротивлением и, следовательно, могут выступать в качестве токоприемников при нанесении или печати на прозрачный электрод с более низкой проводимостью. Кроме того, механические свойства металлических нанопроводов делают их перспективными для использования в гибкой электронике.
Недавно ученые продемонстрировали использование тканых гибких электродов, которые обеспечивают преимущества электродов на основе серебряных или медных нанопроводов, но на микро- – миллиметровом масштабе. Прозрачная ткань была пропитана проводящим полимером PEDOT:PSS для формирования гибкого анода, на котором и было построено стандартное устройство. Электроды, сделанные таким образом, обладают низким сопротивлением и значительной прозрачностью, в результате чего можно получить устройства с КПД> 2%, которые можно изготовлять со скоростью 10 м/мин.
Использование альтернативной геометрии устройства может также помочь отказаться от использования ITO. Если перевернуть солнечную батарею, получится устройство, в котором в качестве нижнего слоя используется металлический катод, затем идет активный слой, и, наконец, прозрачный электрод сверху. Полупрозрачные солнечные батареи, в которых и анод, и катод являются прозрачными, могут быть также отнесены к этому классу. Устройства с перевернутой геометрией с прозрачным полимером в качестве анода уже были опубликованы, но выбор металла для катода сегодня имеет решающее значение для достижения желаемой функциональности устройства. Кроме того, оказывается, что такая перевернутая структура не только приводит к значительному повышению стабильности, но и имеет значительные преимущества с точки зрения производства, так как она включает в себя только нанесение металлического рисунка на подложку и нанесение методом печати (из раствора) активного вещества и второго электрода (полимера).
Эта последовательность обработки была недавно использована для производства и оценки работы устройств, полностью нанесенных и раствора. Исследователи создали устройства на основе P3HT/PCBM в качестве активного слоя и PEDOT:PSS в качестве электрода, нанесенных из раствора на предварительно протравленные каптоновские подложки. Хотя такой подход имеет много достоинств для быстрого производства, для глобального применения возникает проблема затенения при использовании токоприемников, что уменьшает фототок. Эффективность, рассчитанная в активной области, в данном случае составляет всего около 1% для серии модулей и 0,5% для индивидуального устройства. Эти значения указывают на проблемы, связанные со сбором тока с большой площади, которая обычно имеет неизбежные дефекты.
Альтернативным методом является замена ITO на тонкую, полупрозрачную металлическую пленку. Недавно были опубликованы предварительные результаты по использованию бислоя Cu/Ni (или, скорее, Cu/Ni/NiOx), прозрачность таких электродов достигает двух третей от прозрачности ITO. Считается, что использование этого материала приведет к значительному фототоку, но до сих пор эксперимент пока не в полной мере продемонстрировал предсказания теории.
Понятно, что есть много материалов и методов обработки, которые могут выступать в качестве альтернативы использования дорогих и хрупких анодов на основе ITO в тонкопленочных органических солнечных батареях. Несмотря на наличие недостатков всех этих методов, во многих случаях является возможным достаточно быстрое производство элементов с этими альтернативными материалами большой площади, что значительно повышает экономическую привлекательность полимеров солнечных элементов.
1. Zhou, Y. H. et al. Appl. Phys. Lett. 92, 233308 (2008).
2. Lee, J. Y., Connor, S. T., Cui, Y. & Peumans, P. Nano Lett. 8, 689–692 (2008).
3. Hu, L. B. et al. ACS Nano 4, 2955–2963 (2010).
4. Kylberg, W. et al. Adv. Mater. 23, 1015–1019 (2011).
5. Gadisa, A. et al. Synth. Met. 156, 1102–1107 (2006).
6. Manceau, M., Angmo, D., Jørgensen, M. & Krebs, F. C. Org. Electron. 12, 566–574 (2011).
7. O'Connor, B. et al. Appl. Phys. Lett. 93, 223304 (2008).
