Organiczne ogniwa słoneczne to ogniwa zbudowane z półprzewodników na bazie węgla, są mniej skomplikowane w produkcji niż konwencjonalne moduły krzemowe oraz znacznie bardziej uniwersalne, ponieważ mogą być elastyczne i przezroczyste.
Organiczne ogniwo fotowoltaiczne >>
Duże w nowym oknie >>
Wojna na Ukrainie wciąż przypomina nam, jak ważne jest, abyśmy jak najszybciej przestali być zależni od paliw kopalnych. Szybki rozwój odnawialnych źródeł energii jest jednym z kluczy do sukcesu w tym zakresie. Na przykład w przypadku fotowoltaiki trudności polegają nie tylko na walce o większą wydajność, ale także na opracowaniu nowych zastosowań, ponieważ w gęsto zaludnionych krajach przemysłowych, takich jak Niemcy, powierzchnia dostępna dla paneli słonecznych jest ograniczona.
Dlatego tak wiele badań prowadzi się obecnie nad fotowoltaiką organiczną. W przeciwieństwie do krzemu stosowanego w konwencjonalnych systemach, organiczne ogniwa słoneczne składają się z półprzewodników na bazie węgla, które są nakładane bezpośrednio z roztworu na folię nośną. Oznacza to, że moduły są elastyczne i mogą być półprzezroczyste lub całkowicie przezroczyste, co otwiera szeroki zakres potencjalnych zastosowań w przestrzeni miejskiej, w tym w szybach okiennych.
To, co najlepsze z obu światów
Wybór najlepszego materiału na warstwy półprzewodnikowe jest istotnym wyzwaniem dla naukowców: "Na przykład, jeśli używamy polimerów z bardzo długimi łańcuchami cząsteczek, moduły są odporne na wahania temperatury i mają dłuższą żywotność", mówi prof. dr Christoph Brabec, Katedra Materiałoznawstwa (Materiały w Elektronice i Technologii Energetycznej) w FAU i dyrektor Instytutu Helmholtza Erlangen-Nürnberg dla Energii Odnawialnej (HI ERN). "Jednak polimery nie są bardzo dobrze zdefiniowane i mają więcej defektów ze względu na ich złożoność, co może prowadzić do niższej wydajności w niskich poziomach oświetlenia".
W poszukiwaniu alternatyw dla transferu elektronów, badania w HI ERN są zatem zintensyfikowane poprzez badania nad cząsteczkami zwanymi oligomerami. Ich łańcuchy są krótsze, można je precyzyjniej zaprojektować i mają większą wydajność w świetle bliskiej podczerwieni niż łańcuchy polimerowe. Wadą jest to, że oligomery są bardziej wrażliwe na wahania temperatury i ogólnie są bardziej niestabilne.
Międzynarodowa grupa robocza kierowana przez Christopha Brabeca ma na celu połączenie tego, co najlepsze z obu światów, poprzez opracowanie niskocząsteczkowych półprzewodników niefullerenowych, które mają wysoką wydajność, a jednocześnie są wytrzymałe i trwałe. Ich celem są pochodne szczególnej cząsteczki o nazwie Y6, która ma symetryczną strukturę i składa się z węgla oraz atomów azotu, wodoru, tlenu, siarki i bromu.
"Zmodyfikowaliśmy cząsteczkę w niezliczonych testach i zbadaliśmy jej właściwości jako warstwy akceptorowej" - wyjaśnia Difei Zhang, doktorantka, która przeprowadziła eksperymenty na FAU.
Podczas badań, w których uczestniczyli również naukowcy z South China University of Technology (SCUT), wykorzystano dwuwymiarowe pomiary szerokokątnego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego do analizy mikrostruktury i zachowania łańcuchów molekuł.
A zwycięzcą jest OY3
Złożone dostrajanie struktury molekularnej dało w końcu obiecującego kandydata - oligomer o skrócie OY3. "OY3 ma średnią wydajność 15 procent, wartość, którą zmierzyliśmy również w przypadku niektórych innych pochodnych", mówi Brabec. "Jednak tym, co również zrobiło na nas wrażenie, była jego doskonała fotostabilność".
Oligomer zachował 94 procent swojej pierwotnej wydajności nawet po 200 godzinach pracy. Dalsze pomiary wykazały żywotność ponad 25.000 godzin, co przy średniej eksploatacji 1.500 godzin rocznie odpowiada żywotności ponad 16 lat.
Brabec mówi: "Parametry te są unikalne dla wielowarstwowych organicznych modułów fotowoltaicznych i spełniają wszystkie wymagania dla szybkiej komercjalizacji. Nasza strategia ukierunkowanego projektowania oligomerów przenosi organiczną fotowoltaikę na nowy poziom wydajności i bardzo przybliża ją do praktycznego zastosowania."
Źródło: Phys.org: Researchers optimize performance and stability of multi-layer organic solar cells
Youcai Liang et al --> Nature Energy --> Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency --> DOI: 10.1038/s41560-022-01155-x
Dlatego tak wiele badań prowadzi się obecnie nad fotowoltaiką organiczną. W przeciwieństwie do krzemu stosowanego w konwencjonalnych systemach, organiczne ogniwa słoneczne składają się z półprzewodników na bazie węgla, które są nakładane bezpośrednio z roztworu na folię nośną. Oznacza to, że moduły są elastyczne i mogą być półprzezroczyste lub całkowicie przezroczyste, co otwiera szeroki zakres potencjalnych zastosowań w przestrzeni miejskiej, w tym w szybach okiennych.
To, co najlepsze z obu światów
Wybór najlepszego materiału na warstwy półprzewodnikowe jest istotnym wyzwaniem dla naukowców: "Na przykład, jeśli używamy polimerów z bardzo długimi łańcuchami cząsteczek, moduły są odporne na wahania temperatury i mają dłuższą żywotność", mówi prof. dr Christoph Brabec, Katedra Materiałoznawstwa (Materiały w Elektronice i Technologii Energetycznej) w FAU i dyrektor Instytutu Helmholtza Erlangen-Nürnberg dla Energii Odnawialnej (HI ERN). "Jednak polimery nie są bardzo dobrze zdefiniowane i mają więcej defektów ze względu na ich złożoność, co może prowadzić do niższej wydajności w niskich poziomach oświetlenia".
W poszukiwaniu alternatyw dla transferu elektronów, badania w HI ERN są zatem zintensyfikowane poprzez badania nad cząsteczkami zwanymi oligomerami. Ich łańcuchy są krótsze, można je precyzyjniej zaprojektować i mają większą wydajność w świetle bliskiej podczerwieni niż łańcuchy polimerowe. Wadą jest to, że oligomery są bardziej wrażliwe na wahania temperatury i ogólnie są bardziej niestabilne.
Międzynarodowa grupa robocza kierowana przez Christopha Brabeca ma na celu połączenie tego, co najlepsze z obu światów, poprzez opracowanie niskocząsteczkowych półprzewodników niefullerenowych, które mają wysoką wydajność, a jednocześnie są wytrzymałe i trwałe. Ich celem są pochodne szczególnej cząsteczki o nazwie Y6, która ma symetryczną strukturę i składa się z węgla oraz atomów azotu, wodoru, tlenu, siarki i bromu.
"Zmodyfikowaliśmy cząsteczkę w niezliczonych testach i zbadaliśmy jej właściwości jako warstwy akceptorowej" - wyjaśnia Difei Zhang, doktorantka, która przeprowadziła eksperymenty na FAU.
Podczas badań, w których uczestniczyli również naukowcy z South China University of Technology (SCUT), wykorzystano dwuwymiarowe pomiary szerokokątnego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego do analizy mikrostruktury i zachowania łańcuchów molekuł.
A zwycięzcą jest OY3
Złożone dostrajanie struktury molekularnej dało w końcu obiecującego kandydata - oligomer o skrócie OY3. "OY3 ma średnią wydajność 15 procent, wartość, którą zmierzyliśmy również w przypadku niektórych innych pochodnych", mówi Brabec. "Jednak tym, co również zrobiło na nas wrażenie, była jego doskonała fotostabilność".
Oligomer zachował 94 procent swojej pierwotnej wydajności nawet po 200 godzinach pracy. Dalsze pomiary wykazały żywotność ponad 25.000 godzin, co przy średniej eksploatacji 1.500 godzin rocznie odpowiada żywotności ponad 16 lat.
Brabec mówi: "Parametry te są unikalne dla wielowarstwowych organicznych modułów fotowoltaicznych i spełniają wszystkie wymagania dla szybkiej komercjalizacji. Nasza strategia ukierunkowanego projektowania oligomerów przenosi organiczną fotowoltaikę na nowy poziom wydajności i bardzo przybliża ją do praktycznego zastosowania."
Źródło: Phys.org: Researchers optimize performance and stability of multi-layer organic solar cells
Youcai Liang et al --> Nature Energy --> Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency --> DOI: 10.1038/s41560-022-01155-x
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz