透明なエネルギー：窓をソーラーパネルに変える

最近、彼らは時々、グリーンエネルギー、その再生可能な供給源、そしてそれを入手、保存、使用する方法について話します。そして、これは非常に論理的です。なぜなら、地球の人口は絶えず増加しており、化石エネルギー源の埋蔵量は急速に枯渇しているからです。遅かれ早かれ、人々が使用するすべてのエネルギーが太陽や風などによって生成される瞬間が来るかもしれません。したがって、多くの研究者は、グリーンエネルギーを収集するための既存の方法と新しい方法の作成に取り組んでいます。今日は、ミシガン大学の科学者が透明な（より正確には半透明の）ソーラーパネルを開発した研究を見ていきます。この技術が生み出したものから、その動作の原理は何ですか、そして超高層ビルは太陽エネルギーの効率的なコレクターになることができますか？これらの質問に対する答えは、科学者のレポートにあります。行く。

研究の基礎

ソーラーパネルはかつては非常にまれでしたが、幸いなことに、その入手可能性と人気は大幅に向上しました。最近、私の町の住宅を通りかかったところ、その空白の壁と屋根が完全にソーラーパネルで覆われていることに気づきました。これにより、私は同様に驚き、称賛に値し、効率、経済的利益などに関する多くの質問をしました。それにもかかわらず、この経験的な例は、1つの機能を完全に示しています-パネルは干渉しない場所に設置されました（つまり、ウィンドウ上ではありません）。



もちろん、数百平方メートル（またはそれ以上）をカバーするソーラーパネルのフィールド全体がありますが、人口密度が高く、したがって建設された都市では、この設置方法には空きスペースが少なすぎます。誰かが言うでしょう：「私たちが本当にグリーンエネルギーとソーラーパネルが欲しかったなら、場所があるでしょう」。同意しますが、現実はまだ異なります。高層ビルの間には余計なスペースはあまりないかもしれませんが、窓はたくさんあり、それ自体が太陽エネルギーのコレクターになる可能性があります。



現在、半透明ソーラーパネルの分野ではすでにいくつかの開発が行われており、その効率は7％に達しています。有機半導体は、その開発において重要な役割を果たします。無機半導体と比較して、狭い励起性*多くの有機化合物が可視波長範囲外の光を選択的に吸収するため、有機半導体内部の縞模様は、有機光起電力セル（以下、有機光起電力のOPV ）の分野に新しい可能性を開きます。

Exciton * -半導体、誘電体、または金属の電子励起で、結晶内を移動しますが、電荷と質量の移動には関連しません。

7％の半透明光起電力セル（ST-OPV）の効率は、このような非標準技術でこのような指標を達成することの難しさを理解している科学者や人々を喜ばせることができますが、経済的利益の観点からは、これは少なすぎます。さらに、開発されたST-OPVのごく一部のみが、約50％の可視透明度を達成します。これは、多くのアプリケーションにとって重要です。



その結果、ST-OPVを作成するには、エネルギー収集効率と十分なレベルの透明性のバランスを見つける必要がありますが、これは簡単な作業ではありません。科学者たちはまた、すでに作成されたST-OPVの多くは非常に美的でない外観（ガラスの色合い）を持っていると付け加えています。これもこの技術の普及には貢献していません。



現在まで、効果的なニュートラルカラーST-OPVは、熱損失を最小限に抑えるための多接合デバイス構造、反射防止コーティング（ARC）、または非周期的誘電体反射板（ADR）を含む、近赤外領域（NIR）で強い吸収を持つ材料の使用に主に焦点を当てています。吸収。



私たちが今日検討している研究では、科学者は、PCE = 10.8±0.6％およびAPT = 45.7±2.1％に達し、LUE = 5.0±0.3につながるST-OPVのバージョンについて説明しています。

PCE* — (power conversion efficiency);

APT* — (average photopic transmission);

LUE* — (light-utilization efficiency).

このデバイスは、近赤外範囲で高い吸収率を持つNFA（非ブレレンアクセプター）分子を使用しており、合成に数ステップしか必要としません。 NFAは（堅く完全に凝縮されたものではなく）部分的に共有的に凝縮された環構造を持っているという事実にもかかわらず、強い分子間π-π相互作用と密な分子パッキングがそれらで観察されました（1A）。





画像＃1



近赤外域の光を吸収する素材、出力面の出力（生成後のLEDからの光子の出力）構造（アウトカップリングからのOC ）、透明電極の組み合わせにより、効率、透明性、美観を同じように妥協することができました。



透明なインジウムスズオキシドアノード（インジウムスズオキシドからのITO ）を使用したカラーニュートラルST-OPVは、PCE = 8.1±0.3％、APT = 43.3±1.5％、およびLUE = 3.5±0.1％を示しました。デバイスを通過する光の指標は次のとおりです。カラーレンダリングインデックス（CRI）= 86; 相関色温度（CCT）= 4143 K; 色座標-（0.38、0.39）。

研究成果

画像1Aは、テストした3つのNFAの分子構造を示しており、そのうちの1つ（つまりSBT-FIC）は完全に融合した分子骨格を示しています。部分的に融合したコアを持つ他の2つのNFA（A078およびA134）は、4つのチオフェン、2つのシクロペンタジエン、および1つのベンゼン環を含むSBT-FIC異性体です。



3つのNFAの主な違いの1つは、合成の複雑さです。 SBT-FICの作成には10の合成ステップが必要ですが、A078およびA134の作成には4〜6ステップしかかかりません。これに加えて、A078とA134は、比較的高い収率と、毒性が低く、合成用の安価な材料で魅力的です。



UV可視範囲でのNFAの吸収スペクトルを1Bおよび1Cに示します。..。驚くべきことに、薄膜A078およびA134は、_λmax = 900 nmに吸収ピークを持つSBT-FICと比較して、有意なバソクロミックシフト*〜135nmを示します。

バトクロミックシフト* -置換基または環境の変化の影響下でのスペクトルバンドの長波領域へのシフト。

NFA分子の周期的ボルタンメトリーは、SBT-FICの場合、最高占有分子軌道*（HOMO）および最低空分子軌道（LUMO）のエネルギーがEH = -5.81（±0.02）およびEL = -4.15（±0.03）eVであることを示しました。A078の場合、インデックスは5.58（±0.02）および-4.06（±0.03）eVでした。また、A134の場合：-5.54（±0.02）および-4.05（±0.03）eV。

* — , .



( ) — , .



( ) — .

A078およびA134は、SBT-FIC（〜1.65 eV）よりも低いHOMO-LUMOバンドギャップ（〜1.40 eV）を示し、これは光学測定と一致しています。



さらに、PCE-10と混合したNFAは、ITO / ZnO（30 nm）/活性層（〜100 nm）/ MoO ₃（20 nm）/ Ag（100 nm）構造のOPVで使用されました。





画像＃2



グラフ2Aは、上記のNFA + PCE-10の電流密度と電圧特性を示しています。



A078に基づく装置では、PCE = 13.0±0.4％、VOC = 0.75±0.01B、JSC = 24.8±0.7mA / cm ²、FF = 0.70±0.04のパラメーターが達成されました。



A134に基づくOPVデバイスは、PCE = 7.6±0.2％、VOC = 0.75±0.01V、JSC = 16.7±0.5mA / cm ²、FF = 0.61±0.03を示しました。



PCE-10：SBT-FICデバイスの場合、インジケーターは次のとおりです。PCE= 7.8±0.3％、VOC = 0.70±0.01V、JSC = 17.2±0.7mA / cm ²、FF = 0.65±0.02。



1-フェニルナタレン（PN）の添加により、SBT-FICと比較してA078およびA134デバイスの効率が大幅に向上し、A078およびA134の分子パッキングの改善、および混合物中の分子のより好ましい配向に関連することは注目に値します。また、PCE-10：A134デバイスは、OPV PCE-10：A078と比較して低いPCEを示していることがわかります。これは、A134の結晶性が原因で、溶解度が低くなります。



グラフ2Bは、さまざまなデバイスバリアントの外部量子効率*（EQE）スペクトルを示しています。

量子効率* -吸収された光子の総数に対する、吸収によって準粒子の形成を引き起こした光子の数の比率。

SBT-FIC OPVに対するA078のJSCの大幅な改善は、その約200 nmの吸収レッドシフト*によるものであり、これにより、太陽スペクトルをさらにNIRまでカバーできます。

レッドシフト* -放射の波長が増加し（たとえば、光が赤くなる）、周波数とエネルギーが減少する現象。

EQE A078 OPVは、λ= 700〜900 nmの間で80％に達し、400〜650nmの可視波長の間に透明度ウィンドウを残します。





画像＃3



のグラフ（a） - （c）は、 1-phenylnataleneなし/付きNFA混合物：純粋なNFAフィルム、PCE-10に基づいて、様々なデバイスのプロファイルを示します。



1-フェニルナタレンの添加により、PCE-10：NFAフィルムの吸収指数は実質的に変化しません。しかし、PCE-10：A078とPCE-10：A134の混合物では、約900nmに新たに顕著な凝集のピークが見られました。これは、1-フェニルナタレンの添加が、ポリマードナーではなく部分的に結合したアクセプターでの分子間π-π相互作用を強化することを示しています。



さらに、デバイスのさまざまなバリアントの形態学的特性が研究されました。



A078展示0.31Åで広い（100）回折ピーク^{- 1}層状コヒーレンス長Lと_C = 7.5 nmでした。 A134の場合、回折ピークは0.36Å– ¹で狭くシャープになり、L _c = 15nmの値が高くなりました。このことから、A134はA078よりも高い秩序を持っていることがわかります。これは、p-ヘキシルフェニル分子のかさばる側鎖がコンパクトな線状アルキル鎖に置き換わったことで説明されます。



SBT-FIC、順番に、ショー0.34Åで回折ピーク^{- 1}最短ラメラコヒーレンス長Lと_C、そのアモルファス性質= 3.7 nmでした。



1-フェニルナタレンの添加により、回折ピーク（010）PCE-10：A078およびPCE-10：A134（3E）1.79および1.82Å ^-1（NFAによる）で変位し、コヒーレンス長の増加（A078では24対52Å）および（A134では30対63Å）を示します。



ただし、PCE-10に添加剤を追加しても、コヒーレンス値にはまったく影響しません。これは、デバイスバリアント間の形態の違いがドナーからではなくNFAからのものであることを確認します。



さらに、1-フェニルナタレンを使用した場合、分子の配向（平行または垂直）への依存性が見られました。 PCE-10：A078の場合、平行/垂直比は2.37から3.64（3D）に増加します。分子の平行配向は電荷移動に理想的であるため、A078デバイスが（他のオプションと比較して）このように高い効率を持っている理由が明らかになります。



これらのデータを考慮して、調査対象の半透明光起電力セル（ST-OPV）で使用されたのはA078であり、その構造は次のようになりました：ITO / ZnO（30 nm）/ PCE-10：A078（95 nm）/ MoO ₃（20 nm）/ Ag （16 nm）。





画像＃4



受信したST-OPVは、LUE = 2.8±0.1％、PCE = 11.0±0.7％、APT = 25.0±1.3％を示しました。ただし、PCEが10％を超える良好なデバイスにもかかわらず、APTの平均光透過率が約50％である必要があるため、このデバイスはアーキテクチャで使用できません。



科学者は、デバイスの光学特性を制御するために特別に設計された構造により、この問題を解決することができました。これにより、可視範囲で最大の透過率、近赤外範囲で最大の反射を実現できます。



光学OCコーティングは、4つの層からなる、銀アノードに適用した：CBP（C ₃₆ H ₂₄ N ₂、層の厚さは35nm、屈折率1.90）/のMgF ₂（100nmで1.38）/ CBP（70 NM）/ MgF ₂（45 nm）。そして、ガラス基板の遠位面には、十分に低い屈折率1.12のMgF ₂（120 nm）とSiO ₂（130 nm）の₂層からなるARC（反射防止材料層）がコーティングされています。



OCとARCを備えたST-OPVは、平均光透過率（APT）が25.0±1.3％から45.7±2.1％に増加しました。これは、追加のレイヤーがない（つまり、OCとARCがない）デバイスと比較してほぼ80％の改善です。 ..。電力変換効率（PCE）の値は、実質的に変化していません（4C）。電流密度のわずかな減少のみが観察されました（JSC = 20.4±0.8対20.9±1.2mA / cm ²）。このデバイス構成では、光の利用効率はLUE = 5.0±0.3％でした。科学者によると、この数字は現在利用可能なST-OPVデバイスの中で最も高いものです。



開発されたデバイスの主な指標は有望であり、シミュレートされた日光（AM1.5G）によって行われたその外観を研究することは残っています。



OCおよびARCコーティングを施したデバイスを透過した光は、色座標（0.33、0.39）およびCCT = 5585 Kでした。一方、λ> 600 nmでの極薄銀カソードの高い反射率により、デバイスは緑がかった色になります。 Agとは異なり、ITOは透明度が高く、可視領域の透過スペクトルがフラットです。 ITOのカソードとアノードを使用すると、よりニュートラルな色合いになります。





画像＃5



のグラフ及び写真は、上記次の構造を有するITOベースST-OPVデバイスの電流密度、電圧およびEQEのスペクトル特性を示す：のMgF ₂（120 nm）/ ITOガラス/ ZnO（30 nm）/ PCE-10：A078（105 nm）/ MoO ₃（20 nm）/ ITO堆積（140 nm）/ MgF ₂（145 nm）/ MoO ₃（60 nm） ）/ MgF ₂（190 nm）/ MoO ₃（105 nm）。



AgベースのST-OPVと比較して、ITOデバイスは、その高い作業機能*と表面抵抗（約50オーム/平方）により、FFとVOCの違いを示します。

仕事関数*は、電子が固体の体積から電子を取り除くために受け取らなければならないエネルギーです。

しかし、最も重要な違いはJSCスコアとPCEスコアで観察されました。デバイスがますます透明になると、ITOアノードから薄いアクティブ領域への反射が減少し、光子の二重通過がなくなります。低エネルギーの光子の損失を最小限に抑えるために、OCコーティングは、可視スペクトルで最大の透過率を実現し、より長い波長でより高い反射率を実現するように特別に設計されています。したがって、見かけの透明度は実質的に変化しませんが、OCコーティングされたデバイスはコーティングされていないITOデバイスと比較して15％高いJSCおよびPCE値を持っています。



OCコーティングされたITOデバイスは、LUE = 3.5±0.1％、PCE = 8.1±0.3％、APT = 43.3±1.5％を示し、ほぼニュートラルな色合いを持っています。また、テスト対象のデバイスを分析したところ、背後にあるオブジェクトの色（5D）が送信されていることがわかりました。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告とそれに追加された資料を調べることをお勧めします。

エピローグ

都市は家でいっぱいです（明らかなことで申し訳ありません）、それ故にたくさんの窓があります。それらを太陽エネルギーを収集するためのプラットフォームとして使用することは非常に賢明なアイデアですが、実装するのは困難です。最大のエネルギーを集める必要がある一方で、窓の本質はそれが透明であるということです。



この作業では、科学者は、PCE = 10.8±0.6％、APT = 45.7±2.1％、LUE = 5.0±0.3％の半透明の光起電性セルデバイスの実用的なプロトタイプを実証することができました。つまり、デバイスの効率は10.8％、透明度は45.8％でした。この開発の主な利点は、これらの指標間のバランスです。



現時点では、光の使用効率は約5％ですが、前任者が最大2〜3％を与える可能性があるため、これはすでに良好です。しかし、科学者たちは仕事を続けて7％に達するつもりです。彼らが設定したもう1つの課題は、デバイスの耐用年数を10年に延長することです。長持ちし、効率的で見た目に美しいソーラーセルは、通常のオフィスビルを一種のソーラー発電所に変えることができます。



そのような研究はタイムリーであると言いたいのですが、そうではありません。このような開発は、特に現在のような大規模なものでは、環境およびエネルギー災害の防止が結果の分析に変わる瞬間を待たずに、はるかに早く対処されるべきでした。いずれにせよ、そのような取り組みは、遅れはあるものの、人類の未来だけでなく、私たちの惑星の未来にとっても非常に重要です。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、素晴らしい週末をお過ごしください。:)

ちょっとした宣伝

ご滞在ありがとうございます。あなたは私たちの記事が好きですか？もっと面白いコンテンツを見たいですか？注文や友人に推薦することにより、私たちをサポートして、クラウドVPS $ 4.99からご開発者のための、私たちはあなたのために発明したことをエントリーレベルのサーバのユニークなアナログ： （KVM）E5-2697 v3の（6つのコア）10ギガバイトDDR4 480ギガバイトSSD 1GbpsのVPSについて全体の真実19ドルからまたはサーバーを正しく分割する方法は？（RAID1およびRAID10、最大24コアおよび最大40GB DDR4で利用可能なオプション）。



アムステルダムのEquinixTierIVデータセンターでDellR730xdは2倍安いですか？唯一の我々は2×インテルテトラデカコアのXeon E5-2697v3 2倍の2.6GHzの14C 64ギガバイトDDR4 4x960GB SSD 1Gbpsの$ 199 100テレビオランダ！Dell R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-99ドルから！ビルのインフラストラクチャを構築する方法についてお読みください。1ペニーで9000ユーロの費用でDellR730xd E5-2650 v4サーバーを使用するクラス？