Naukowcy lepiej zrozumieli organiczne moduły PV. To może zwiększyć ich wydajność

• Naukowcy z North Carolina State University opracowali nową metodę wizualizacji interfejsów, które są kluczowe dla konwersji energii słonecznej w organicznych ogniwach PV, co może pomóc zwiększyć ich wydajność.
• Organiczne ogniwa PV korzystają z interfejsów donor-akceptor, jednak ich nieuporządkowanie powoduje straty energii. Badania zidentyfikowały kluczowe czynniki wpływające na te straty.
• Naukowcy zademonstrowali metody zmniejszania strat napięcia poprzez kontrolowanie mieszania materiałów donorowych i akceptorowych, co zwiększa wydajność ogniw organicznych.

Wady i zalety ogniw organicznych

Organiczne ogniwa słoneczne wyróżniają się kilkoma istotnymi zaletami w porównaniu do konwencjonalnych ogniw krzemowych czy perowskitowych. Wykorzystują one polimery oparte na węglu, które mogą być produkowane z materiałów powszechnie dostępnych na Ziemi, co oznacza obniżenie kosztów produkcji. Ponadto ogniwa te mogą być przezroczyste lub półprzezroczyste, co stwarza możliwość zastosowania ich na powierzchniach takich jak okna budynków. Są to także ogniwa cienkowarstwowe, co daje potencjał do tworzenia lekkich i elastycznych instalacji, które mogłyby być łatwo transportowane i montowane.

Niestety, ogniwa organiczne nie osiągają dotąd wydajności konwersji światła na elektryczność porównywalnej z tradycyjnymi technologiami krzemowymi czy perowskitowymi. Naukowcy z North Carolina State University postawili sobie za cel znalezienie przyczyn tych strat energii oraz opracowanie sposobów na ich minimalizację.

Zrozumienie interfejsów donor-akceptor

Organiczne ogniwa słoneczne składają się z mieszaniny dwóch materiałów. Pierwszym z nich jest polimer, zwany materiałem donorowym, który absorbuje elektrony ze światła. Drugim jest substancja akceptorowa, zazwyczaj mała cząsteczka, która przyjmuje te elektrony, umożliwiając ich transport i ostateczną konwersję na prąd elektryczny. Kluczowym elementem tego procesu są interfejsy między materiałem donorowym a akceptorowym, gdzie dochodzi do przejścia elektronów.

Jak wyjaśnia prof. Aram Amassian, jeden z autorów badań, interfejsy te są odpowiedzialne za straty napięcia, co obecnie ogranicza wydajność ogniw organicznych. Celem zespołu było zrozumienie, które aspekty interfejsów powodują te straty, aby znaleźć sposoby na ich zminimalizowanie.

Aby to osiągnąć, naukowcy opracowali metodę mikroskopii skaningowej, która pozwoliła im nie tylko zmapować topograficzne cechy mieszaniny donor–akceptor, ale także zbadać charakterystyki energetyczne materiałów na interfejsach – takie jak gradient energetyczny i stopień nieuporządkowania molekuł.

Nowe odkrycia dotyczące strat napięcia

Wykorzystując nową technikę, naukowcy mogli określić, jak stopień nieuporządkowania molekuł donorowych i akceptorowych na interfejsie wpływa na straty energii. Następnie porównali te wyniki z wynikami uzyskanymi za pomocą konwencjonalnych metod oceny strat napięcia w organicznych ogniwach słonecznych.

Jednym z głównych wyzwań było określenie, który z interfejsów w mieszaninie donor–akceptor był odpowiedzialny za straty napięcia. Mieszanki te mogą tworzyć wiele różnych typów interfejsów jednocześnie, co sprawia, że trudno jest zidentyfikować głównego winowajcę. Badania wykazały, że w nowoczesnych, wysoko wydajnych ogniwach organicznych, takich jak PM6:Y6, to właśnie ostre interfejsy donor-akceptor są kluczowym elementem powodującym straty napięcia.

Co dalej z rozwojem organicznych modułów?

Po zidentyfikowaniu interfejsu odpowiedzialnego za straty napięcia naukowcy przeprowadzili dalsze badania, aby zrozumieć, jakie czynniki mają na nie wpływ. Jak tłumaczy prof. Amassian, w środowisku naukowym istniała debata dotycząca przyczyn strat napięcia. Część badaczy uważała, że wynikały one z różnicy energetycznej między materiałami donorowym i akceptorowym, podczas gdy inni twierdzili, że to nieuporządkowanie energetyczne na interfejsach jest kluczowe. Wyniki badań zespołu pokazują, że obie strony mają rację – straty napięcia są wynikiem kombinacji obu czynników.

Naukowcy zademonstrowali, że możliwe jest zmniejszenie różnicy energetycznej oraz kontrolowanie nieuporządkowania na interfejsach poprzez zmianę sposobu mieszania materiałów donorowego i akceptorowego podczas produkcji. Dzięki temu udało się zminimalizować straty napięcia w ogniwach.

- Wybierając parę materiałów o minimalnych różnicach energetycznych, można dodatkowo zmniejszyć straty energii, identyfikując odpowiedni rozpuszczalnik oraz parametry procesowe, które znacząco redukują nieuporządkowanie na interfejsach – mówi Amassian.

Zespół badawczy jest optymistycznie nastawiony do zastosowania opracowanych reguł projektowych w przyszłych badaniach nad rozwojem organicznych ogniw słonecznych. Oczywiście odkrycie na ten moment będzie miało zastosowanie jedynie w sterylnych laboratoriach. Wraz z kolejnymi badaniami i odkryciami w przyszłości może jednak dojść do komercjalizacji wypracowanych przez naukowców rozwiązań.

Źródło: techxplore.com