Sistem pentru creșterea eficienței celulelor solare organice

Celulele solare organice sunt mai ieftine de produs și sunt mai flexibile decât omologii lor din siliciu cristalin, dar nu oferă același nivel de eficiență sau durabilitate. Un grup de cercetători condus de Prof. Christoph Brabec, directorul Institutului de materiale pentru tehnologia electronică și energetică (i-MEET) din cadrul Departamentului de Știința și Ingineria Materialelor de la FAU, lucrează pentru îmbunătățirea acestor proprietăți de câțiva ani. În timpul tezei sale de doctorat, Andrej Classen, care este un tânăr cercetător la FAU, a demonstrat că eficiența poate fi crescută utilizând molecule acceptoare luminescente. Lucrările sale au fost publicate acum în jurnal Energia naturii.

Soarele poate furniza energie radiațională de aproximativ 1000 de wați pe metru pătrat într-o zi senină în latitudinile europene. Celulele solare convenționale din siliciu monocristalin convertesc până la o cincime din această energie în energie electrică, ceea ce înseamnă că au o eficiență de aproximativ 20%. Grupul de lucru al prof. Brabec a deținut recordul mondial de eficiență într-un modul fotovoltaic organic de 12,6% din septembrie 2019. Modulul cu mai multe celule dezvoltat la Energie Campus Nürnberg (EnCN) are o suprafață de 26 cm². „Dacă putem realiza peste 20% în laborator, putem atinge 15% în practică și putem deveni o adevărată competiție pentru celulele solare din siliciu”, spune prof. Brabec.

Aplicare flexibilă și eficiență energetică ridicată în timpul producției

Avantajele celulelor solare organice sunt evidente – sunt subțiri și flexibile ca tăiței și pot fi adaptate pentru a se potrivi diferitelor substraturi. Lungimea de undă la care este absorbită lumina soarelui poate fi „reglată” prin macromodulele utilizate. O fereastră de birou căptușită cu celule solare organice care absorb spectrul roșu și infraroșu nu numai că va analiza radiația termică, dar va genera și electricitate în același timp.

Un criteriu care devine din ce în ce mai important având în vedere schimbările climatice este perioada de funcționare după care o celulă solară generează mai multă energie decât era necesară pentru a o produce. Acest așa-numit timp de recuperare a energiei depinde în mare măsură de tehnologia utilizată și de locația sistemului fotovoltaic (PV). Conform ultimelor calcule ale Institutului Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară (ISE), timpul de recuperare a energiei pentru modulele fotovoltaice produse din siliciu în Elveția este de aproximativ 2,5 până la 2,8 ani. Cu toate acestea, acest timp este redus la doar câteva luni pentru celulele solare organice, potrivit Dr. Thomas Heumüller, cercetător asociat la Prof. Scaunul lui Brabec.

Pierderea performanței pentru partajarea sarcinii

Comparativ cu o celulă solară de siliciu „tradițională”, echivalentul său organic are un dezavantaj categoric: lumina soarelui nu produce imediat sarcină pentru fluxul curent, ci mai degrabă așa-numiții excitoni de care sunt încă legate sarcinile pozitive și negative. „Un receptor care trage doar sarcina negativă este necesar pentru a determina divizarea sarcinii, care la rândul său produce taxe gratuite cu care se poate genera electricitate”, explică Dr. Heumüller.

Pentru separarea taxelor este necesară o anumită forță motrice. Această forță motrice depinde de structura moleculară a polimerilor utilizați. Deoarece anumite molecule din clasa materialelor cuptorului au o forță motrice mare, ele au fost până acum alegerea preferată a acceptorilor de electroni din celulele solare organice. Între timp, însă, oamenii de știință au descoperit că o forță motrice ridicată are un efect dăunător asupra tensiunii. Aceasta înseamnă că puterea celulei solare este redusă, conform formulei care se aplică curentului continuu – puterea este egală cu tensiunea curentului.

Andrej Classen a dorit să descopere cât de mică trebuie să fie forța motrice pentru a realiza doar separarea completă a încărcăturii exciton. Pentru a face acest lucru, el a comparat combinații de patru polimeri donatori și cinci receptori care și-au dovedit deja potențialul de utilizare în celulele solare organice. Classen le-a folosit pentru a produce 20 de celule solare în exact aceleași condiții, cu o forță motrice de aproape zero până la 0,6 electroni volți.

Creșteți performanța cu anumite molecule

Rezultatele măsurătorilor au furnizat dovezi pentru o teorie deja asumată în cercetare – un echilibru „Boltzmann” între excitoni și sarcini separate, spune așa-numita stare de transfer (CT). „Cu cât forța motrice este mai aproape de zero, cu atât echilibrul se deplasează mai mult către excitați”, spune Dr. Larry Lüer, specialist în fotofizică în grupul de lucru Brabec. Aceasta înseamnă că cercetările viitoare ar trebui să se concentreze pe prevenirea defecțiunii excitației, ceea ce înseamnă creșterea „vieții” excitației sale.

Până în prezent, cercetările s-au concentrat doar pe viața operativă a afecțiunii CT. Excitonii pot fi defalcați emițând lumină (luminescență) sau căldură. Modificând cu pricepere polimerii, oamenii de știință au reușit să reducă la minimum producția de căldură, menținând luminescența cât mai mare posibil. „Eficiența celulelor solare poate fi crescută, folosind molecule de acceptare foarte luminiscente”, prezice Andrej Classen.

Referință: „Rolul vieții excitonului pentru generarea de sarcină în celulele solare organice în compensări neglijabile ale nivelului de energie” de Andrej Classen, Christos L. Chochos, Larry Lüer, Vasilis G. Gregoriou, Jonas Wortmann, Andres Osvet, Karen Forberich , Iain McCulloch, Thomas Heumüller și Christoph J. Brabec, 31 august 2020, Energia naturii.
DOI: 10.1038 / s41560-020-00684-7

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Oamenii de știință dezvăluie cheia creșterii musculare adecvate

Analiza imunofluorescenței unui grup de celule stem proliferante asociate cu fibre musculare (gri). Celulele stem produc Dll1 (roșu) și MyoD (verde). Două...

ExoMars Orbiter surprinde fermitatea la locul de aterizare al craterului Mars Jezero

ESA-Roscosmos Trace Gas Orbiter a observat vehiculul NASA Perseverance Mars 2020, împreună cu o parașută și o carapace spate, un scut termic și o...

Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea...

Un model agresiv bazat pe piață pentru dezvoltarea energiei de cuplare

Conceptul ARC Fusion Pilot Plant a fost dezvoltat la MIT ca o demonstrație a potențialului magneților supraconductori de temperatură înaltă de a reduce costurile...

Sug este mai important în cercetare decât potrivirea corectă a măștilor de față COVID

O echipă de cercetători care studiază eficacitatea diferitelor tipuri de măști de față a constatat că este cea mai bună protecție împotriva acesteia COVID-19,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.