従来のシリコンソーラー技術と同様に、OSC は太陽のエネルギーを使用可能な電力に変換します。 しかし、それらは従来の太陽光発電よりもはるかに用途が広いです。 OSC は軽量で柔軟性があり、半透明またはさまざまな色にすることができます。 これらの特性により、テキスタイル、車両、建物に統合された太陽電池、およびそれが存在しない地域で電力を生成するための潜在的な用途がそれらに与えられます。

ユニークなアプリケーション

OSC を商業市場に投入するには追加の資金提供と研究が必要ですが、専門家は、OSC が太陽光技術の将来において重要な役割を果たすことに同意しています。 とはいえ、彼らはシリコン太陽電池に取って代わることも、真っ向から対抗することもありません。 ジョージア工科大学の化学教授セス・マーダーは、「シリコンソーラーファームでギガワットの電力を生成するような、OSCの広大なフィールドを期待すべきではありません」と述べています。 シリコン ソーラーは大規模な太陽光発電を提供するのに適していますが、OSC には実際のアプリケーションを導く独自の強みがあります。 

OSC の XNUMX つの独自の機能は、その薄さと柔軟性です。 一般的なシリコン太陽電池の厚さは人間の髪の毛の平均幅とほぼ同じですが、ほとんどの OSC は約 XNUMX 分の XNUMX の薄さです。 薄くて柔軟性があるため、OSC は曲がった表面や柔軟なバッキング上に作成できます。 たとえば、テント、バックパック、さらには衣類の生地にパッチを当てたり、統合したりできます。 これらの製品のほとんどはまだ開発中であり、ニッチな市場を占めていますが、OSC が提供する革新的な創造性を示しています。 OSC技術により、屋上やソーラーファームだけでなく、太陽電池の使用場所の可能性が大きく広がりました。

OSC は、透明、半透明、またはさまざまな色にすることもできます。 その結果、建築用途には多くの潜在的なアプリケーションがあります。 たとえば、透明な OSC を窓に組み込んで太陽光からエネルギーを生成すると、部屋が暖かくなり、空調コストが高くなる可能性があります。 ノースカロライナ州立大学の材料科学と工学の教授であるフランキー・ソーは、さらに別のアプリケーションを提案しています.

さらに、初期投資が少なく、製品の配送コストが低い可能性があるため、OSC テクノロジーは、送電網へのアクセスや送電網を構築する財政的手段が不足している開発途上国のコミュニティでも利用できるようになります。 OSC には、「力が存在しない場所に力をもたらす」という独特の能力があると、ボストン大学の化学准教授であるマリカ・ジェフリーズ・エルは説明します。 このような場合、OSC テクノロジーは、照明、携帯電話の充電、医薬品やワクチンの冷蔵などの作業に必要な少量の必須電力を供給できます。

OSC のもう 1,500 つのセールス ポイントは、シリコン太陽電池よりも製造にエネルギー消費が少ないことです。 シリコン太陽電池用の高純度シリコンを生成するには、2,700 °C (XNUMX °F) を超える非常に高温の炉が必要です。 比較すると、大規模な OSC は、新聞の印刷に使用されるのと同様のプロセスでセルの層を裏紙に印刷するだけで製造できます。 このプロセスはエネルギー消費量が少ないため、OSC はシリコンセルよりもエネルギー回収時間が大幅に短くなります。 つまり、OSC は、製造に必要なエネルギー量を生成するために必要な時間がより短くなります。

使い方

最初の有機太陽電池は 1958 年に開発されましたが、OSC の効率が大幅に向上したのは 2000 年代になってからでした。 この改良された OSC 技術は、一般に OLED として知られている有機発光ダイオードの分野から生まれました。 OLED 技術は、今日市場に出ている多くのテレビや電話の画面に使用されています。 OLED 画面では、電流が流れると有機分子 (主に炭素原子と水素原子で構成される分子) の層が発光します。 OSC は本質的に逆の方法で機能します。有機分子の層は、光にさらされると電流を生成します。

有機太陽電池は、アクセプター層を含む複数の材料層で構成されています。 太陽光が細胞に当たると、有機分子の層から電子が放出され、アクセプターの仕事はその電子を電極に渡すことです。 このプロセスにより電荷が蓄積され、電気が生成されます。

従来、OSC で最も一般的に使用されていたアクセプターは、フラーレン (サッカー ボールに似た構造で結合された 60 個の炭素原子で構成される分子) に基づく材料でした。 ただし、フラーレン受容体では、OSC の効率は約 10% に制限されていました。 つまり、太陽電池に当たる太陽光の10%しか電気に変換されませんでした。 したがって、研究者は、OSC の効率を高める手段として、新しいタイプのアクセプター層を探索することに着手しました。

OSC がより高い効率を達成できるようになったブレークスルーは、非フラーレン受容体 (NFA) の開発でした。 NFA により、OSC の効率が大幅に向上 — 18％まで わずか数年で。 これにより、OSC は 平均的な市販のシリコン太陽電池の 18% ～ 22% の効率. この効率の向上は、多くの専門家の予想を超えており、OSC の効率がわずか 3% 前後で推移したときに、その分野で働き始めた人もいます。 「10 年前に、効率 18% の有機太陽電池ができると言われたら、私は笑っていたでしょう」とマーダーは言います。  

克服する障壁

OSC が広く販売されるまでには、まだ多くの作業が必要です。 最大の課題の XNUMX つは、製造プロセスで使用される溶剤です。 性能の高い OSC のほとんどは、健康と環境の両方に危険をもたらす塩素系溶剤を使用して作られています。 「OSC 製造をスケールアップするときは、製造工場で働く人々の暴露を考慮する必要があります」と、ジョージア工科大学の電気およびコンピュータ エンジニアリングの教授であるバーナード キッペレンは言います。 これまでの研究は、ますます高い効率を得ることに主に焦点を当ててきましたが、キッペレンが言うように、「XNUMX つの数字をはるかに超えるアプローチが必要です」。 OSC を実行可能な技術にするためには、製造プロセスを最適化して、より安全で費用対効果の高いものにする必要があります。

OSC の大量生産に対するもう XNUMX つの障壁は、理想的な実験室条件下でテストされた個々のセルの効率と、より大きなモジュールで実証されている効率の違いです。 個々のセルは高い効率を持つことができますが、複数のセルをモジュール、パネル、またはアレイに組み立てるには、効率を低下させる追加の電気接続が必要です。 ただし、キッペレンが指摘するように、この種の格差は予想されます。 「セル効率の向上が、製造ラインから出荷されるモジュールの効率に反映されるまでには、しばらく時間がかかります」と彼は言います。 「同じことがシリコン太陽電池にも当てはまります。」

OSC 研究への資金提供も別の懸念事項です。 米国では、太陽電池研究のための資金の多くは、エネルギー省などの政府機関からのものです。 しかし、キッペレン氏によると、「OSCの研究を行うために、多くの資金源が枯渇した」と呼ばれる急速に拡大している太陽電池のクラスの出現により、 ペロブスカイト. 「ペロブスカイトの効率はシリコンよりも高い場合があるため、ペロブスカイトの使用に関して多くの興奮がありました」と Kippelen 氏は言います。 ただし、OSC への資金提供が米国で減少しているにもかかわらず、中国は OSC の研究開発を主導し続けています。 「米国での [OSC 研究の] 作業量は、中国での作業量のほんの一部です」とマーダーは言います。 「中国の人々はこれに全力で取り組んでいます。」 

楽観的な理由

特に発展途上国が、先進国が享受しているオンデマンドのエネルギー生産の同じ利点を切望しているため、将来の世界のエネルギー消費は増加し続けるでしょう。 Marder、Kippelen、Jeffries-EL、So などの研究者は、OSC 技術には再生可能エネルギーへの世界的な移行においてユニークで重要な役割を果たす可能性があると述べています。 最近の OSC 効率の 18% への増加により、多くの研究者がこの技術の進歩に取り組んでおり、科学者は現在、タンデム OSC (太陽光の異なる波長を吸収する 20 つの異なる材料を使用) を検討して、さらに多くのエネルギーを捕捉しています。 この開発により、OSC の効率がさらに (最大 XNUMX% まで) 向上することを期待する人もいます。

キッペレンは、OSC テクノロジーの長期的な視点を求めています。 「ソーラー技術は長い間存在するでしょう」と彼は言います。「OSC は、時間が経つにつれて、本当に重要な技術としての地位を確立すると本当に信じています」と彼は言います。

著者について

 Kellie Stellmach は、博士号取得を目指している大学院生です。 ジョージア工科大学で化学の博士号を取得。 彼女は、環境と持続可能性の課題に対処するための新しい有機材料の開発に情熱を注いでいます。 彼女の現在の研究は、リサイクル可能な材料としての潜在的な用途を持つ低天井温度ポリマーの合成に焦点を当てています。

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この記事はもともとに登場しました Ensia