Kolejną grupą niezwykle ciekawych i potencjalnie przełomowych technologii PV jest ich trzecia generacja - ogniwa organiczne (OPV-ang. Organic Photovoltaics) wykazujące, jak dotąd, średni poziom gotowości technologicznej.
Niezwykle istotnym wyzwaniem staje się obniżanie kosztów materiału i czasu zwrotu energii, materiały nieorganiczne są zastępowane materiałami organicznymi tam gdzie jest to możliwe, a techniki produkcji typu „roll-to-roll” są przystosowywane do produkcji modułów fotowoltaicznych o dużej powierzchni zapewniając niski koszt. Wykorzystanie materiałów organicznych otwiera możliwości możliwości dopasowania właściwości funkcjonalnych, ale generuje również liczne problemy związane z degradacją i skalowaniem [J. Kettle et al., Prog. Photovolt. Res. Appl., 2022, 30, 1365-1392]. Seria artykułów dotyczących czynników wpływających na degradację modułów fotowoltaicznych rozpoczęła się od zaawansowanych technologicznie modułów krzemowych (więcejw artykule: Degradacja modułów fotowoltaicznych cz. 1. Krzemowe moduły fotowoltaiczne.), wysokosprawnych modułów w technologii CdTe i CIGS (więcej w artykule: Degradacja modułów fotowoltaicznych cz. 2. Moduły w technologii CdTe i CIGS.) oraz tanich w otrzymywaniu i wciąż rozwijanych modułów DSSC (więcej w artykule: Degradacja modułów fotowoltaicznych cz. 3. Moduły w technologii DSSC.).
Ogniwa organiczne OPV
Technologia OPV oferuje możliwość produkcji elastycznych, wielkopowierzchniowych, półprzezroczystych, kolorowych modułów fotowoltaicznych przy użyciu tanich metod przetwarzania i jest atrakcyjna pod kątem wielu zastosowań, w tym modułów fotowoltaicznych zintegrowanych z budynkiem i modułów wewnętrznych. Z punktu widzenia ochrony środowiska posiadają one również najniższą energię wcieloną ze wszystkich dostępnych technologii fotowoltaicznych [N. Espinosa et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2012 ; 97, 3-13; B. Azzopardi et al., B, Energ. Environ. Sci., 2011, 4(10), 3741-3753]. Większość nowoczesnych urządzeń opiera się na ogniwach heterozłączowych testowanych w ustandaryzowanych warunkach AM1,5 wykazujących sprawność konwersji fotowoltaicznej dochodzącą do 31% w warunkach oświetlenia wewnętrznego [Y. Cui et al., Nat. Commun., 2019, 10(1), 1-8]. Wydłużenie czasu życia systemów OPV jest niezbędne, aby móc myśleć o powszechności zastosowań komercyjnych. W 2011 r. naukowcy opracowali standardy służące kompleksowej ocenie stabilności, ponieważ normy IEC uznano za zbyt surowe, aby można je było uznać za obowiązujące [M.O. Reese et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2011, 95(5), 1253-1267]. Przeprowadzono serię badań międzylaboratoryjnych dotyczących stabilności urządzeń OPV, w których podkreślano złożone relacje między materiałem, etapami technologicznymi, mechanizmami degradacji i właściwościami fotowoltaicznymi.
Podobnie jak w przypadku innych technologii, degradacja ogniw słonecznych OPV jest związana z kilkoma czynnikami, które można podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Czynniki wewnętrzne obejmują metastabilną morfologię urządzenia, stabilność materiałów, dyfuzję elektrod i warstw buforowych do materiału aktywnego. Z kolei czynniki zewnętrzne są tożsame z występującymi dla wszystkich innych technologii modułów fotowoltaicznych i obejmują infiltrację tlenu i wody, promieniowanie UV, wzrost temperatury [W.R. Mateker, Adv. Mater. 2017, 29(10), 1603940; J. Kettle et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2016, 144, 481-487]. Obecnie większość modułów OPV jest wykonywana na elastycznych podłożach, więc zginanie i wprowadzanie naprężeń mechanicznych jest dodatkowym czynnikiem wpływającym na degradację [J. Kettle et al., Energ. Environ. Sci., 2015, 8(11), 3266-3273]. Naukowcy podkreślają także, że degradacja zwykle nie następuje w wyniku pojedynczego wewnętrznego lub zewnętrznego mechanizmu uszkodzenia, a częściej obserwuje się połączony wpływ np. wilgoci i temperatury, co jest swoistą interakcją co najmniej dwóch czynników [P. Cheng et al., Chem. Soc. Rev., 2016, 45(9), 2544-2582]. W konsekwencji ogniwo OPV jest obciążone zarówno temperaturą, jak i wilgocią, obserwuje się większą degradację niż w przypadku wzrostu każdego czynnika z osobna [S.A. Gevorgyan et al., J. Phys. D. Appl. Phys., 2017, 50(10), 103001]. Ponadto, nie uwzględniając skutków współdziałania poszczególnych czynników, łatwo jest błędnie ocenić wpływ tejże interakcji na tempo degradacji, dlatego zaczęto stosować zaawansowane, wieloelementowe projektowanie eksperymentu oceny starzenia urządzeń OPV [V. Stoichkov et al., IEEE J. Photovoltaics, 2018, 8(4), 1058-1065].
Obecnie prowadzi się wiele badań mających na celu poprawę stabilności, w szczególności skupiono się na projektowaniu materiałów aktywnych, inżynierii warstw aktywnych, zastosowaniu odwróconej architektury, optymalizacji warstwy transportowej, elektrodach i optymalizacji hermetyzacji. Przykładowo zastosowanie odpowiedniej mieszaniny polimerów prowadzi do zwiększenia wydajności dzięki zmianom w mikrostrukturze, co zmniejsza rekombinację ładunku i zwiększa fotonapięcie [D. Baran et al., Nat. Mater., 2017, 16(3), 363-369]. Żywotność takich ogniw określono na podstawie początkowej sprawności konwersji energii (PCE), która po czasie wynoszącym 11 000 godzin pozostaje w granicach 80 % wartości początkowej [X. Du et al., Aust. Dent. J., 2019, 3(1), 215-226]. Niestety podany wynik uzyskano dla próbek o powierzchni aktywnej zaledwie 10,4 mm2, tak więc kolejnym wyzwaniem jest skalowanie modułów do większej powierzchni.
Wspólną cechą oceny stabilności zarówno ogniw OPV, jak i DSSC oraz perowskitowych jest przyjęcie sposobu monitorowania w warunkach zewnętrznych. Testy zewnętrzne pozostają jednym z najlepszych podejść do oceny stabilności, ponieważ urządzenia PV są poddawane wielu czynnikom często występującym w tym samym czasie [G.A. Soares et al., J. Renew. Sustain. Energy, 2020, 12(6), 63502]. Duński Uniwersytet Techniczny (DTU) wykonał pełną elektrownię słoneczną do praktycznej oceny montażu, instalacji, działania i końca życia ogniw polimerowych [E.A. Katz et al., Eur. Phys. Journal-Applied. Phys., 2006, 36(3), 307-311]. Analiza wykazała, że z powodu dużej liczby szeregowo połączonych ogniw instalacje wykazują wysokie napięcie, którego wpływ powinien uzasadniać dalsze badania stabilności. Ponadto nowe kierunki badań skupiają się na opracowywaniu zaawansowanych materiałów o potencjale aplikacyjnym w parkach słonecznych, szybkim przetwarzaniu „roll-to-roll” przy użyciu dostępnych materiałów i wreszcie wykorzystaniu elastycznych podłoży. Zaskakujące są prognozy naukowców wskazujące na możliwość uzyskania krótkiego czas zwrotu energii rzędu 1 dnia dla produkowanych masowo ogniw OPV, zakładając że montowane będą z rolki na drewnianej konstrukcji nośnej, a łączone szeregowo zapewniając wysokie napięcie [F.C. Krebs et al., Adv. Mater., 2014, 26(1), 29-39]. Sugeruje to, że powstające technologie mogą w rzeczywistości wymagać znacznie mniej niż 30 - 50 lat stabilności, jeśli nastąpi zmiana w produkcji, instalacji i recyklingu.
Rys. 1. Elastyczne ogniwo słoneczne w technologii OPV firmy Ricoh [materiały firmy Ricoh, https://www.ricoh.com/technology/tech/094_flexible_energy_harvesting_device z dn. 11.05.2023].
