"В принципе, теперь мы можем масштабировать полупрозрачные органические солнечные элементы до двух метров на два метра, что значительно приближает наши окна к реальности", - сказал Стивен Форрест, заслуженный профессор электротехники Университета Питера А. Франкена и соответствующий автор исследования, опубликованного в Joule.

Традиционные солнечные элементы на основе кремния полностью непрозрачны, что подходит для солнечных ферм и крыш, но сводит на нет назначение окон. Однако органические солнечные элементы, в которых поглотителем света является разновидность пластика, могут быть прозрачными.

Органические солнечные элементы отстают от своих собратьев на основе кремния в производстве энергии из-за технических проблем, таких как низкая эффективность и короткий срок службы, но недавняя работа лаборатории Форреста позволила достичь рекордной эффективности в 10% и расчетного срока службы до 30 лет.

Поэтому команда обратила свое внимание на то, чтобы сделать прозрачные солнечные элементы технологичными. Серьезной проблемой является создание электрических соединений микронного масштаба между отдельными элементами, составляющими солнечный модуль. Обычные методы, которые используют лазеры для формирования структуры клеток, могут легко повредить органические поглотители света.

Вместо этого команда разработала многоступенчатый метод отслоения рисунка, который позволил достичь разрешения в микронном масштабе. Они нанесли тонкие пленки пластика и сформировали из них чрезвычайно тонкие полоски. Затем они укладывают органические и металлические слои. Затем они сняли полоски, создав очень тонкие электрические соединения между ячейками.

Группа соединила восемь полупрозрачных солнечных элементов, каждый размером 4 х 0,4 см и разделенных соединениями шириной 200 мкм, чтобы создать единый 13-сантиметровый² модуль. Эффективность преобразования энергии в 7,3% была примерно на 10% меньше, чем для отдельных солнечных элементов в модуле. Эта небольшая потеря эффективности не увеличивается с увеличением размера модуля; следовательно, аналогичная эффективность ожидается и для панелей метрового масштаба. Благодаря прозрачности, близкой к 50%, и зеленоватому оттенку ячейки подходят для использования в коммерческих окнах. Более высокая прозрачность, которая, вероятно, предпочтительнее для рынка жилых помещений, легко достигается с помощью этой же технологии.

"Настало время привлечь промышленность к превращению этой технологии в доступные приложения", - сказал Синьцзин Хуан, докторант Калифорнийского университета в области прикладной физики и первый автор опубликованного исследования.

В конечном итоге гибкая панель солнечных элементов будет зажата между двумя оконными стеклами. Цель этих энергосберегающих оконных пленок - быть прозрачными примерно на 50% с эффективностью 10-15%. Форрест считает, что этого можно достичь в течение пары лет.

"Исследование, которое мы проводим, высмеивает технологию, чтобы производители могли делать инвестиции, необходимые для выхода на крупномасштабное производство", - сказал Форрест.

По его словам, этот метод также может быть применен к другим органическим электронным устройствам. И на самом деле, его группа уже применяет его к OLED-дисплеям для белого освещения.

Мичиганский университет подал заявку на патентную защиту и ищет партнеров для вывода технологии на рынок.

Форрест также является профессором инженерного дела имени Пола Г. Гебеля и профессором электротехники и вычислительной техники, материаловедения и инженерии, физики и прикладной физики. Соавторы Хуан и бывший докторант Дэцзю Фан (PhD EE 2020) разработали и провели эксперименты. Соавтор и ассистент научного сотрудника Юнси Ли помогали в изготовлении устройств, которое было выполнено на заводе нанотехнологий Лурье.

Исследование было поддержано в первую очередь Министерством энергетики США. Дополнительная поддержка была оказана корпорацией Universal Display Corporation. Форрест и U-M имеют финансовую заинтересованность в Universal Display Corp.