Jak zbudować wydajne organiczne ogniwa słoneczne

Organiczne ogniwa słoneczne, wykonane z materiałów na bazie węgla, mają wyjątkowe zalety w porównaniu do innych technologii ogniw słonecznych. Na przykład można je wytwarzać za pomocą tanich technologii drukowania i można je uczynić półprzezroczystymi z wybieranymi kolorami, które można wykorzystać w architekturze do integracji budynków. Ich elastyczność i niewielka waga sprawiają, że są one idealne do zasilania czujników do zastosowań internetowych.

Kluczowym wyzwaniem dla rozwoju organicznych ogniw słonecznych jest to, że zwykle mają one duże straty energii.

"Opracowaliśmy pewne racjonalne zasady projektowania, aby zminimalizować straty energii w ekologicznych ogniwach słonecznych, przestrzegając tych zasad, prezentując szereg przykładów z niskimi stratami energii i wysokimi współczynnikami konwersji mocy" - mówi Feng Gao, profesor nadzwyczajny w dziale Biomolecular i Organic Electronics w Linkoping University.

Zasady projektowania, które rzucają wyzwanie niektórym wcześniej utrzymanym pomysłom, zostały opublikowane w artykule w czasopiśmie Nature Materials .

Wykorzystując te zasady projektowania, organiczne ogniwa słoneczne obiecują dogonić swoich konkurentów pod względem wydajności konwersji energii, która mierzy ułamek energii promieniowania słonecznego przetwarzanego na energię elektryczną. Teoretyczna granica frakcji energii słonecznej, jaką można uzyskać w ogniwach słonecznych, wynosi około 33%. Eksperymenty laboratoryjne z krzemowymi ogniwami słonecznymi osiągnęły w najlepszym razie 25%. Naukowcy do tej pory wierzyli, że limit dla organicznych ogniw słonecznych jest niższy.

"Ale teraz wiemy, że nie ma różnicy - teoretyczna granica jest taka sama dla ogniw słonecznych wytwarzanych z krzemu, perowskitów lub polimerów", mówi Olle Inganas, profesor elektroniki biomolekularnej i organicznej, uniwersytet w Linkoping.

Kiedy fotony ze Słońca są pochłaniane przez półprzewodnikowy polimer w ogniwie słonecznym, elektrony w materiale donorowym są wzbudzane do stanu wzbudzonego, a otwory powstają w stanie podstawowym, do którego przyciągają elektrony. Aby oddzielić te powiązane elektrony od otworów, dodaje się materiał akceptorowy. Jednak ten akceptorowy materiał zwykle powoduje dodatkowe straty energii, problem, który przeszkadza organicznej społeczności ogniw słonecznych przez ponad dwie dekady.

Artykuł w Nature Materials przedstawia dwie podstawowe zasady minimalizacji strat energii dla wysoko wydajnych organicznych ogniw słonecznych: - Zminimalizuj przesunięcie energii między elementami donorowymi i akceptorowymi. - Upewnij się, że komponent o niskiej szczelinie w mieszance ma wysoką fotoluminescencję.

Naukowcy z siedmiu instytutów badawczych w Stanach Zjednoczonych, Chinach i Europie wspólnie wyprodukowali kilkanaście różnych materiałów, z których niektóre zostały wcześniej opisane, a inne są zupełnie nowe. Wykorzystali je, aby zademonstrować, że nowa teoria zgadza się z wynikami eksperymentalnymi, mimo że jest to nieco niezgodne z tym, co wcześniej sądzono.

Oprócz Feng Gao, autorami artykułu są także Artem A Bakulin z Imperial College London i Veaceslav Coropceanu z Georgia Institute of Technology. Badanie zostało sfinansowane z dotacji ze źródeł w Szwecji, UE, USA i Chinach, a także zostało przeprowadzone w ramach strategicznej inicjatywy w zakresie zaawansowanych materiałów funkcjonalnych, AFM, na Uniwersytecie w Linkoping.

ŹRÓDŁO: Seience Daily