Keywords

asa

Строительство и техногенная безопасность

2413-1873

КФУ им. В.И. Вернадского

107

Engineering support

Инженерное обеспечение

ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

ASSESSMENT OF THE PROSPECTS FOR THE USE OF ORGANIC MATERIALS IN SOLAR POWER PLANTS

Гвоздкова

Ю. Д.

Gvozdkova

J. D.

Гвоздкова

И. А.

Gvozdkova

И. А.

Горбачев

С. И.

Gorbachev

S. I.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ, Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4, gina94@yandex.ru MOSCOW AVIATION INSTITUTE (National Research University), Russia, 125993, Moscow, Volokolamskoye shosse, 4, gina94@yandex.ru Российский государственный университет им. А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), ), Россия, 117997, г. Москва, ул. Садовническая, 33, стр. 1, gvozdkova@yandex.ru Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Russian State University named after A.N. Kosygin (Technology. Design. Art)", Russia, 117997, Moscow, st. Sadovnicheskaya, 33, building 1, gvozdkova@yandex.ru МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ, Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4, gor-sergey1@yandex.ru MOSCOW AVIATION INSTITUTE (National Research University), Russia, 125993, Moscow, Volokolamskoye shosse, 4, gor-sergey1@yandex.ru

22 03 2021

20(72)

79 91

2021

Строительство и техногенная безопасность

https://www.stroyjurnal-asa.ru/index.php/asa/article/view/107

В статье проанализированы проблемы, достижения, перспективы и темпы развития тонкопленочной фотовольтаики, основанной на использовании различных органических соединений. Обоснована необходимость проведения сравнительного многокритериального анализа перспективных технологий и материалов указанного сектора солнечной электроэнергетики с целью обеспечения компромисса между технико-экономической эффективностью их разработки, внедрения и использования и сохранением окружающей среды. Обобщены результаты исследований жизненных циклов фотоэлектрических устройств с активным слоем на основе высокомолекулярных и низкомолекулярных донорно-акцепторных органических соединений, полученных при помощи растворных и вакуумных технологий. Систематизированы технические, эксплуатационные и экологические критерии оценки преимуществ и недостатков тонкопленочных органических фотоэлементов и модулей на различных стадиях их жизненного цикла. Даны рекомендации по оптимизации эколого-ориентированного выбора органических солнечных батарей с учетом специфики их предназначения, условий эксплуатации и региональных предпочтений в сфере обеспечения энергетической, экологической и техносферной безопасности. Рассмотрено применение методов анализа иерархий и Монте-Карло для реализации статистически надежного многофакторного выбора органических фотовольтаических устройств и энергоустановок на их основе с учетом экологических и иных ограничений. Рассчитан эколого-технический рейтинг наиболее перспективных фотоэлектрических систем указанного вида и выявлен их оптимальный тип, способный конкурировать с фотоэлементами на неорганических тонких пленках. Проведены компьютерные эксперименты, позволившие сравнить комплексную конкурентоспособность наилучших органических фотоэлементов с их тонкопленочными аналогами на основе теллурида кадмия. Сформулированы перспективные направления развития использованного оптимизационного подхода в сфере фотоэлектрического сегмента солнечной энергетики.

The article analyzes the problems, achievements, prospects and rates of development of thin-film photovoltaics based on the use of various organic compounds. The necessity of multi-criteria comparative analysis of these solar energy advanced technologies and materials is justified to ensure a compromise between the technical and economic efficiency of their design, implementation, use and the environment-oriented issues. The results of studies of the life cycles of photovoltaic devices with an active layer based on high-molecular and low-molecular donor-acceptor organic compounds obtained using solution and vacuum technologies are summarized. The technical, operational and environmental criteria for evaluating the advantages and disadvantages of thin-film organic solar cells and modules at various stages of their life cycle are systematized. Recommendations are given for optimizing the environmental-oriented selection of organic solar cells, taking into account the specifics of their purpose, operating conditions and regional preferences in the field of energy, environmental and technological security. The application of analytic hierarchy process and Monte Carlo method for the implementation of statistically reliable multivariate selection of organic photovoltaic devices and power plants based on them, taking into account environmental and other constraints, is considered. The ecological and technical ratings of the most promising photovoltaic systems of this type are calculated and their optimal type is identified, which can compete with photovoltaic cells on inorganic thin films. Computer experiments were carried out to compare the complex competitiveness of the best organic solar modules with their thin-film analogues based on cadmium telluride. The perspective directions of development of the used optimization approach in the field of photovoltaic segment of solar energy are formulated.

Keywordsphotovoltaic power plantsthin-film solar cellsorganic materials of the active layer multi-criteria environmental-oriented assessmentanalytic hierarchy processMonte Carlo method

Ключевые словафотоэлектрические энергоустановкитонкопленочные фотоэлементыорганические материалы активного слоямногокритериальная эколого-ориентированная оценкаметод анализа иерархийметод Монте-Карло

полный текст на сайте stroyjurnal-asa.ru

Tsopa N.V., Dikarev A.E. Prospects for renewable energy for low-rise buildings in Crimea // Construction and industrial safety. 2020. N 19(71). pp. 85 – 92. (In Russian)

Gvozdkova I.A., Parashchuk D.Yu. Solnechnaya energetika: podrastayushchiy igrok [Solar energy: a growing player] // Khimiya i zhizn – XXI vek. 2007. N. 3. pp. 6 – 9. (In Russian)

Lizin S., Van Passel S., De Schepper E., Maes W., Lutsen L., Mancab J., Vanderzandeb D. Life cycle analyses of organic photovoltaics: a review // Energy and Environmental Science. 2013. V. 6. рр. 3136.

Xue R., Zhang J., Li Ya., Li Yo. Organic Solar Cell Materials toward Commercialization // Small. 2018. V. 14(41). рр. 24.

Photovoltaics Report. 16 September 2020. URL: https://www.ise.fraunhofer.de (date of access 10.12.2020)

Gvozdkova I.A., Gvozdkova J.D. Multi-criteria environmental-oriented assessment of power plants based on solar cells with different active layer material // Construction and industrial safety. 2019. N 17(69). pp. 89 – 101. (In Russian)

Drozdov F.V., Ponomarenko S.A. Organic solar cells – lightweight, flexible, semitransparent // Priroda. 2016. N 4. pp. 3-14. (In Russian)

Thin-film solar cell. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Thin-film_solar_cell (date of access 09.12.2020)

Tonkin B. Understand thin film solar panels before you regret it // Sun Power Source. 2018. URL: https://www.sunpowersource.com/ (date of access 10.01.2020).

Liu S., Yuan J., Deng W., Luo M., Xie Y., Liang Q., Zou Y., He Z., Wu H., Cao Y. High-efficiency organic solar cells with low non-radiative recombination loss and low energetic disorder // Nature Photonics. 2020. V. 14. pр. 300–305.

Cheng P., Li G., Zhan X., Yang Y. Next-generation organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors // Nature Photonics. 2018. V. 12. N 3. рр. 131-142.

Qu В., Forrest S.R. Continuous roll-to-roll fabrication of organic photovoltaic cells via interconnected high-vacuum and low-pressure organic vapor phase deposition systems // Applied Physics Letters. 2018. V. 113. 053302.

Riede М., Spoltore D., Leo К. Organic solar cells – the path to commercial success // Advanced Energy Materials. 2021. V. 11. 2002653.

Liu Q., Jiang Y., Jin K., Qin J., Xu J., Li W., Xiong J., Liu J., Xiao Z., Sun K., Yang S., Zhang X., Ding L. 18% Efficiency organic solar cells // Science Bulletin. 2020. V. 65. рр. 272–275.

Huang K.M., Lin C.M., Chen S.H., Li C.S., Hu C.H., Zhang Y., Meng H.F., Chang C.Y., Chao Y.C., Zan H.W., Huo L., Yu P. Nonfullerene polymer solar cell with large active area of 216 cm2 and high power conversion efficiency of 7.7% // Solar RRL. 2019. V. 3. N 8. 1900071.

Green M.A., Dunlop E.D., Hohl-Ebinger J., Yoshita M., Kopidakis N., Hao Х. Solar cell efficiency tables (version 57) // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2020. рр. 1 – 13.

Brabec C.J., Distler А., Du Х., Egelhaaf H.-J., Hauch J., Heumueller Т., Li N. Material strategies to accelerate OPV technology toward a GW technology // Advanced Energy Materials. 2020. V. 10. 2001864.

Akkuratov A.V., Susarova D.K., Kozlov O.V., Chernyak A.V., Moskvin Yu.L., Frolova L.A., Pshenichnikov M.S., Troshin P.A. Design of (X-DADAD)n type copolymers for efficient bulk heterojunction organic solar cells // Macromolecules. 2015. V. 48(7). pp. 2013-2021.

Heliatek. The future is light. URL: https://www.heliatek.com/product/ (date of access 08.12.2020)

Gvozdkova J.D., Gvozdkova I.A., Kurochkin A.V., Chernyaev A.V. Information system of environmental safety assessment of aviation materials and technologies by the analytic hierarchy process // Information Technologies. 2019. V. 25. N 3. рр. 185-192. (In Russian)

Gvozdkova I.A. Multi-criteria social, environmental and economic assessment of regional advantages of innovative technologies // Labour and social relations. 2019. N 5. pp. 134 – 150. (In Russian)

Ratner S.V., Zakoretskaya K.A. Assessment of ecological effectiveness of competing photovoltaic technologies // Innovations. 2017. N 9(227). pp. 77 – 84. (In Russian)

Ulanova O.V., Salhofer S.P., Vyunsh K. Integrated sustainable waste management. Housing and communal services: textbook. - M.: Publishing House of the Academy of Natural Sciences, 2016. (In Russian)

Zhao J., Li Y., Yang G., Jiang K., Lin H., Ade H., Ma W., Yan Y. Efficient organic solar cells processed from hydrocarbon solvents // Nature Energy. 2016. V. 1. 15027.

Li Z., Ying L., Zhu P., Zhong W., Li N., Liu F., Huang F., Cao Y. A generic green solvent concept boosting the power conversion efficiency of all-polymer solar cells to 11% // Energy & Environmental Science. 2019. V. 12. N 1. рр. 157-163.

Deng D., Zhang Y., Zhang J., Wang Z., Zhu L., Fang J., Xia B., Wang Z., Lu K., Ma W., Wei Z. Fluorination-enabled optimal morphology leads to over 11% efficiency for inverted small-molecule organic solar cells // Nature Communications. 2016. V. 7. 13740.

Rasool S., Vu D.V., Song C.E., Lee H.K., Lee S.K., Lee J.C., Moon S.J., Shin W.S. Room temperature processed highly efficient large-area polymer solar cells achieved with molecular engineering of copolymers // Advanced Energy Materials. 2019. V. 9. N 21. 1900168.

Chen S.H., Liao C.H., Chang C.Y., Huang K.M., Chen J.Y., Chen C.H., Meng H.F., Zan H.W., Horng S.F., Lin Y.C., Yeh M.H. Large-area blade-coated organic solar cells processed from halogen-free solvent // Organic Electronics. 2019. V. 75. N 105376.

Han Y.W., Jeon S.J., Lee H.S., Park H., Kim K.S., Lee H.W., Moon D.K. Evaporation-free nonfullerene flexible organic solar cell modules manufactured by an all-solution process // Advanced Energy Materials. 2019. V. 9. N 42. 1902065.

Lucera L., Machui F., Schmidt H.D., Ahmad T., Kubis P., Strohm S., Hepp J., Vetter A., Egelhaaf H.J., Brabec C.J. Printed semi-transparent large area organic photovoltaic modules with power conversion efficiencies of close to 5 % // Organic Electronics. 2017. V.45. рр. 209-214.

Gu X., Zhou Y., Gu K., Kurosawa T., Guo Y., Li Y., Lin H., Schroeder B.C., Yan H., Molina-Lopez F., Tassone C.J., Wang C., Mannsfeld S.C.B., Yan H., Zhao D., Toney M.F., Bao Z. Roll-to-roll printed large-area all-polymer solar cells with 5% efficiency based on a low crystallinity conjugated polymer blend // Advanced Energy Materials. 2017. V. 7. N 14. 1602742.

Uhrich C., Weiß A., Pfeiffer M. Roll-to-roll production of organic solar cells // SPIE. 2017. V. 10363.

Gvozdkova I.A. Kurochkin A.V. The reliability evaluation of computer^mathematical models of optimization of personnel solutions by statistical methods // Labour and social relations. 2019. N 2. pp. 93 – 109. (In Russian)

Sherafatipour G., Benduhn J., Patil B.R., Ahmadpour M., Spoltore D., Rubahn H.-G., Vandewal K., Madsen M. Degradation pathways in standard and inverted DBP-C70 based organic solar cells // Scientific Reports. 2019 V. 9. N 1. 4024.