最近，他们时不时地谈论绿色能源，其可再生资源以及获取，存储和使用绿色能源的方法。这是很合乎逻辑的，因为地球上的人口在不断增长，而化石能源的储备正在迅速耗尽。人们使用的所有能量都将由太阳，风等产生，迟早会有片刻。因此，许多研究人员致力于改善现有的和创造收集绿色能源的新方法。今天，我们来看看一项研究，其中密歇根大学的科学家开发了透明的（更准确地说是半透明的）太阳能电池板。从这项技术的创造中，其运作原理是什么，摩天大楼能否成为高效的太阳能收集器？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。
研究依据
太阳能电池板曾经非常少见，但幸运的是，现在它们的可用性和普及性大大提高了。最近，我路过我市内的一栋居民楼，发现其空白的墙壁和屋顶完全被太阳能电池板覆盖。这使我同样感到惊讶，令人钦佩，并且对效率，经济利益等提出了很多质疑。尽管如此，该经验示例完美地展示了一个功能-面板安装在不会干扰的位置（即不在窗户上）。
当然，太阳能电池板的整个领域都覆盖了数百平方米（甚至更多），但是在人口稠密的城市中，这种安装方法的可用空间太小。有人会说：“如果我们真的想要绿色能源和太阳能电池板，那么就会有一个地方”。我同意，但现实仍然不同。摩天大楼之间可能没有太多的额外空间，但是有很多窗户，这些窗户本身可能成为太阳能的收集者。
目前，半透明太阳能电池板领域已经有了一些发展，其效率达到了7％。有机半导体在其发展中起着重要作用。与无机半导体相比，激子窄*由于许多有机化合物选择性地吸收可见波长范围之外的光，因此有机半导体中的条纹为有机光伏电池（以下简称为有机光伏OPV ）领域开辟了新的可能性。
激子* -半导体，电介质或金属中的电子激发，通过晶体移动，但与电荷和质量的传递无关。半透明光伏电池（ST-OPV）的效率为7％，可以使科学家和理解这种非标准技术难以实现这一指标的人们感到高兴，但是从经济利益的角度来看，这太少了。此外，只有一小部分已开发的ST-OPV达到约50％的可见透明度，这对于许多应用而言至关重要。
结果，为了创建ST-OPV，必须在能量收集效率和足够的透明性之间找到平衡，这并非易事。科学家们还补充说，许多已经创建的ST-OPV具有非常不美观的外观（玻璃阴影），这也不利于这项技术的普及。
迄今为止，有效的中性色ST-OPV主要致力于使用在近红外（NIR）中具有强吸收性的材料，包括多结结构以最大程度地减少热损失，抗反射涂层（ARC）或非周期性介电反射器（ADR）可以增加吸收。
在我们今天正在考虑的工作中，科学家描述了他们的ST-OPV，其PCE = 10.8±0.6％，APT = 45.7±2.1％，导致LUE = 5.0±0.3。
PCE* — (power conversion efficiency);该设备使用了在近红外范围内具有高吸收率的NFA（非戊二烯受体）分子，只需几个步骤即可合成。尽管NFA具有部分共价稠合的环结构（而不是刚性和完全稠合的环结构），但在它们中观察到了强烈的分子间π-π相互作用和紧密的分子堆积（1A）。
APT* — (average photopic transmission);
LUE* — (light-utilization efficiency).
图像＃1
吸收近红外范围内的光的材料，输出表面上的输出（输出后的光子从LED发出的光），输出表面上的结构（外耦合产生的OC ）以及透明电极的结合使得在效率，透明性和美观性之间达成同样的折衷。
使用透明铟锡氧化物阳极（ITO来自铟锡氧化物）的中性色ST-OPV显示PCE = 8.1±0.3％，APT = 43.3±1.5％，LUE = 3.5±0.1％。穿过设备的光的指示器如下：显色指数（CRI）= 86；相关色温（CCT）= 4143 K；色坐标-（0.38，0.39）。
研究成果
图像1A显示了测试的三个NFA的分子结构，其中一个（即SBT-FIC）显示了完全融合的分子骨架。其他两个具有部分稠合核心的NFA（A078和A134）是SBT-FIC异构体，其中包含四个噻吩，两个环戊二烯和一个苯环。
这三个NFA之间的主要区别之一是合成的复杂性。制作SBT-FIC需要10个合成步骤，而制作A078和A134仅需要4到6个步骤。除此之外，A078和A134具有相对较高的收率，以及毒性较小和较便宜的合成材料，因此具有吸引力。
在1B和1C中显示了NFA在紫外可见范围内的吸收光谱... 出乎意料的是，与SBT-FIC相比，薄膜A078和A134显示出显着的红移*〜135 nm，在λmax = 900 nm处具有吸收峰。
变色移* -在取代基或环境变化的影响下，光谱带向长波区域移动。NFA分子的循环伏安法显示，对于SBT-FIC，最高占据分子轨道*（HOMO）和最低空分子轨道（LUMO）的能量为EH = -5.81（±0.02）和EL = -4.15（±0.03）eV。对于A078，指数为5.58（±0.02）和-4.06（±0.03）eV。对于A134：-5.54（±0.02）和-4.05（±0.03）eV。
* — , .A078和A134的HOMO-LUMO带隙（〜1.40 eV）比SBT-FIC（〜1.65 eV）低，这与光学测量结果一致。
( ) — , .
( ) — .
此外，将具有PCE-10的NFA与ITO / ZnO（30 nm）/活性层（〜100 nm）/ MoO 3（20 nm）/ Ag（100 nm）结构一起用于OPV 。
图像＃2
图2A显示了上述NFA + PCE-10的电流密度和电压特性。
在基于A078的设备中，实现了以下参数：PCE = 13.0±0.4％，VOC = 0.75±0.01 B，JSC = 24.8±0.7 mA / cm 2和FF = 0.70±0.04。
基于A134的OPV器件显示：PCE = 7.6±0.2％，VOC = 0.75±0.01 V，JSC = 16.7±0.5 mA / cm 2和FF = 0.61±0.03。
对于PCE-10：SBT-FIC器件，指标如下：PCE = 7.8±0.3％，VOC = 0.70±0.01 V，JSC = 17.2±0.7 mA / cm 2，FF = 0.65±0.02。
值得注意的是，与SBT-FIC相比，添加1-苯基紫杉烯（PN）导致A078和A134器件的效率显着提高，这与A078和A134的分子堆积得到改善以及混合物中分子的更有利取向有关。还可以看出，与OPV PCE-10：A078相比，PCE-10：A134器件的PCE更低。这是由于A134的结晶度导致其较低的溶解度。
图2B显示了各种器件变体的外部量子效率*（EQE）光谱。
量子效率* -光子数量与吸收的光子总数之比，光子的吸收率导致形成准粒子。A078的JSC优于SBT-FIC OPV的显着改进是由于其〜200 nm的吸收红移*，它可以将太阳光谱进一步覆盖到NIR中。
红移* -辐射波长增加（例如，光变红），频率和能量降低的现象。EQE A078 OPV达到80％，在λ= 700至900 nm之间，在400至650 nm的可见波长之间保留了透明窗口。
图像＃3
图3A - 3C显示了基于纯NFA薄膜和PCE-10：带有/不带有1-苯那他汀烯的NFA混合物的各种器件的概况。
加入1-苯那他汀后，PCE-10：NFA薄膜的吸收指数几乎没有变化。但是在混合物PCE-10：A078和PCE-10：A134中，在约900 nm处发现了一个新的明显聚集峰。这表明1-苯基萘二烯的加入增强了部分结合的受体而不是聚合物供体上的分子间π-π相互作用。
此外，研究了该设备的不同变体的形态学特性。
A078表现出广泛的（100）衍射，在0.31的峰- 1具有层状相干长度L c ^ = 7.5纳米。在A134的情况下，衍射峰在0.36Å– 1处更窄和更清晰，而L c = 15 nm的值更高。由此可知，A134比A078具有更高的有序性，这是通过用致密的直链烷基链取代对己基苯基分子的庞大侧链来解释的。
SBT-FIC由于其无定形性质，又在0.34Å– 1处显示出衍射峰，且最短的层状相干长度L c = 3.7 nm。
由于添加了1-phenylnatalnatalene，衍射峰（010）PCE-10：A078和PCE-10：A134（3E）在1.79和1.82埃- 1（由于NFA）被移位并且显示出增加的相干长度（24与52，一种用于A078）和（30比63埃为A134）。
但是，向PCE-10中添加添加剂不会以任何方式影响相干值。这证实了装置变体之间的形态学差异是来自NFA而非供体。
另外，当使用1-苯那他汀时，发现对分子取向（平行或垂直）的依赖性。对于PCE-10：A078，平行/垂直比率从2.37增加到3.64（3D）。由于分子的平行取向非常适合电荷转移，因此A078器件为何具有如此高的效率（与其他选择相比）变得显而易见。
根据这些数据，在研究的半透明光伏电池（ST-OPV）中使用的是A078，其结构如下：ITO / ZnO（30 nm）/ PCE-10：A078（95 nm）/ MoO 3（20 nm）/ Ag （16纳米）。
图片＃4
收到的ST-OPV显示LUE = 2.8±0.1％，PCE = 11.0±0.7％，APT = 25.0±1.3％。但是，尽管PCE> 10％，该设备仍无法在体系结构中使用，因为它要求APT的平均透光率为〜50％。
科学家通过特殊设计的结构来控制设备的光学特性，从而解决了这个问题，从而可以在可见光范围内实现最大透射，在近红外范围内实现最大反射。
将光学OC涂层施加到银阳极上，该涂层由四层组成：CBP（C 36 H 24 N 2；层厚度35 nm，折射率1.90）/ MgF 2（100 nm，1.38）/ CBP（70 nm）/ MgF 2（45 nm）。并且在由玻璃MgF 2（120nm）和SiO 2（130nm）的双层构成的玻璃基板涂覆的ARC（抗反射材料层）的远端表面上具有足够低的折射率1.12。
带有OC和ARC的ST-OPV显示出平均透光率（APT）从25.0±1.3％增加到45.7±2.1％，与没有附加层的设备（即没有OC和ARC）相比提高了近80％ ...功率转换效率（PCE）值几乎保持不变（4C）。观察到电流密度仅略有下降（JSC = 20.4±0.8对20.9±1.2 mA / cm 2）。使用这种设备配置，光利用效率为LUE = 5.0±0.3％。据科学家称，这个数字是目前可用的ST-OPV设备中最高的。
所开发设备的主要指标是有希望的，尚需研究其外观，这是通过模拟阳光（AM1.5G）进行的。
透过带有OC和ARC涂层的器件的光的色坐标为（0.33，0.39），CCT = 5585K。同时，超薄银阴极在λ> 600 nm处的高反射率使该器件具有绿色。与Ag不同，ITO具有更高的透明度，并且在可见光区域具有平坦的透射光谱。使用ITO阴极和阳极会产生更中性的阴影。
图片＃5
上面的图表和图片显示了具有以下结构的基于ITO的ST-OPV器件的电流密度，电压和EQE的光谱特性：MgF 2（120纳米）/ ITO玻璃/ ZnO（30纳米）/ PCE-10：A078（105纳米）/ MoO 3（20纳米）/ ITO沉积（140纳米）/ MgF 2（145纳米）/ MoO 3（60纳米） ）/ MgF 2（190 nm）/ MoO 3（105 nm）。
与基于Ag的ST-OPV相比，由于ITO器件具有更高的功函*和表面电阻（〜50欧姆/平方），因此FF和VOC有所不同。
功函数*是电子从固体体积中去除电子所必须获得的能量。但是，在JSC和PCE分数中观察到了最显着的差异。随着器件变得越来越透明，从ITO阳极到薄有源区的反射将减少，从而消除了光子的两次通过。为了最大程度地减少低能光子的损失，OC涂层经过专门设计，可在可见光谱中实现最大透射，并在较长波长下具有更高的反射率。因此，OC涂布设备的JSC和PCE值比未涂布ITO设备高15％，尽管表面透明性实际上没有变化。
涂有OC的ITO器件的色度= 3.5±0.1％，PCE = 8.1±0.3％，APT = 43.3±1.5％，并且具有几乎中性的色相。而且，对被测设备的分析表明，它可以传输其后的对象的颜色（5D）。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告和其他材料。
结语
城市到处都是房屋（很抱歉，很明显），因此窗户很多。将它们用作收集太阳能的平台是一个非常明智的想法，但难以实施。一方面，有必要收集最大的能量，另一方面，窗口的本质是透明的。
在这项工作中，科学家能够证明PCE = 10.8±0.6％，APT = 45.7±2.1％和LUE = 5.0±0.3％的半透明光伏电池装置的工作原型。换句话说，该装置的效率为10.8％，其透明度为45.8％。这种发展的主要优势是这些指标之间的平衡。
目前，使用光的效率约为5％，这已经很好了，因为前辈最多可以给出2-3％。但是，科学家打算继续他们的研究，并达到7％。他们为自己设定的另一个挑战是将设备的使用寿命延长到10年。持久，高效且美观的太阳能电池可以将普通的办公楼转变为一种太阳能发电厂。
我想说这样的研究是及时的，但事实并非如此。这样的事态发展，特别是现在这样大规模的事态发展，应该早得多完成，而不必等到防止环境和能源灾难变成后果分析的那一刻。在任何情况下，尽管如此，但这些工作不仅对人类的未来，而且对于我们星球的未来都具有重要意义。
谢谢您的关注，请保持好奇，祝您周末愉快！:)
一点广告
感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的内容吗？通过下订单或向朋友推荐，为开发人员提供云VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何正确划分服务器？（RAID1和RAID10可用的选件，最多24个内核和最多40GB DDR4）。
阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心的Dell R730xd 2x是否便宜？仅在荷兰有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何构建bldg的基础结构的信息。戴尔R730xd E5-2650 v4服务器上的价格为9000欧元的价格？