Fotowoltaika i ogniwa słoneczne

Technologia fotowoltaiczna przekształca światło w energię elektryczną na poziomie atomowym. Efekt fotoelektryczny powoduje, że niektóre materiały półprzewodnikowe absorbują cząsteczki światła słonecznego lub fotony i uwalniają elektrony. Ogniwo fotowoltaiczne wytwarza energię elektryczną ze światła widzialnego; ogniwo słoneczne pochłania pełen zakres częstotliwości światła, nie tylko światło widzialne, ze światła słonecznego i przekształca promieniowanie słoneczne w użyteczną energię. Jako bezpieczne, zrównoważone i wydajne źródło energii, systemy ogniw fotowoltaicznych i słonecznych są wykorzystywane do sieciowego lub izolowanego wytwarzania energii w wielu typach urządzeń, od pojazdów elektrycznych (EV) i dachów solarnych po systemy pompowania i odsalania wody.  

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują warstwowe materiały półprzewodnikowe jako złącze PN do konwersji energii świetlnej w postaci fotonów na prąd elektryczny w postaci elektronów. Złącze PN jest interfejsem pomiędzy półprzewodnikiem typu p (materiał akceptora elektronów) i półprzewodnikiem typu n (materiał donora elektronów). Gdy foton jest pochłaniany przez półprzewodnik typu n, elektron zostaje uwolniony, generując wolny elektron i parę elektron-dziura. Ujemnie naładowany elektron jest przyciągany do materiału typu p, a dodatnio naładowana dziura do materiału typu n. Jeśli do elektrod zostanie podłączony kompletny obwód, wolny elektron będzie przemieszczał się przez obwód, tworząc prąd elektryczny i napięcie, aż do rekombinacji z dziurą elektronową z powrotem w materiale typu p.

Sprawność systemów fotowoltaicznych różni się w zależności od rodzaju technologii ogniw fotowoltaicznych i rodzaju zastosowanego materiału półprzewodnikowego. Pierwsze ogniwa słoneczne składały się z nieorganicznych materiałów polikrystalicznych i monokrystalicznych. Znaczący postęp w technologii fotowoltaicznej dokonał się dzięki znacznemu postępowi w elektronice organicznej i materiałach.

Organiczne ogniwo słoneczne jest lekkie, elastyczne i może być produkowane przy niskich kosztach z wysokowydajnymi donorami polimerowymi, fulerenami i akceptorami niefulerenowymi (NFA) poprzez procesy roztwarzania w niskiej temperaturze na przezroczystym przewodniku, takim jak tlenek indowo-cynowy (ITO) lub tlenek cyny z domieszką fluoru (FTO). Organiczne materiały transportujące dziury (HTM) umożliwiły stworzenie wysokowydajnych perowskitowych ogniw słonecznych jako alternatywnej, bardziej wydajnej metody pozyskiwania energii słonecznej.

Perowskitowe ogniwa słoneczne zazwyczaj wykorzystują hybrydowy materiał nieorganiczno-organiczny jako warstwę aktywną zbierającą światło. Perowskitowe ogniwa słoneczne charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji, niskim kosztem i prostą produkcją, co czyni je najszybciej rozwijającymi się technologiami solarnymi do zastosowań komercyjnych. Perowskity ołowiowo-halogenkowe mają najwyższą wydajność konwersji i są najszybciej rozwijającą się technologią ogniw słonecznych.