Organiczne ogniwa słoneczne (OSC) — obiecujące alternatywy dla tradycyjnych nieorganicznych ogniw słonecznych — mają wiele cech, które czynią je kluczowymi graczami w bardziej zielonej przyszłości. Jedną z tych cech jest dostrajalna chemia, która pozwala naukowcom precyzyjnie dostosowywać lub modyfikować właściwości układów chemicznych w celu osiągnięcia pożądanych rezultatów. Teraz naukowcy z Japonii dostroili je w celu zwiększenia wydajności konwersji energii.
W badaniu opublikowanym niedawno w Międzynarodowe wydanie chemii stosowanej, Naukowcy z Uniwersytetu w Osace odkryli nowy organiczny półprzewodnik, który charakteryzuje się lepszą wydajnością przetwarzania energii niż przyjęte standardy.
OSC są lekkie i elastyczne, a ich produkcja na dużą skalę jest stosunkowo tania. Są więc bardzo obiecujące w zastosowaniach takich jak agrivoltaics, gdzie duże obszary ziemi są wykorzystywane do jednoczesnej uprawy roślin i przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną.
Ogólnie rzecz biorąc, OSC zawierają dwa organiczne półprzewodniki, jeden do transportu nośników ładunku znanych jako elektrony (akceptor) i jeden do transportu pozostałych nośników znanych jako dziury (donor). Prąd płynie w półprzewodniku, gdy ekscytony — połączenie elektronu i dodatniej dziury — są rozdzielane na te nośniki, dając pary elektron-dziura. Ekscytony są ściśle ze sobą związane, ale światło słoneczne o wystarczającej energii może spowodować ich dysocjację i wytworzenie prądu.
„Zmniejszenie ilości energii potrzebnej do rozbicia ekscytonu – energii wiązania ekscytonu – ułatwia konwersję światła na pożądany prąd” – wyjaśnia główny autor badania Seihou Jinnai. „Skupiliśmy się zatem na czynnikach, które przyczyniają się do energii wiązania, a jednym z nich jest odległość między elektronem a dziurą. Jeśli zostanie ona zwiększona, energia wiązania powinna się zmniejszyć”.
Naukowcy zaprojektowali zatem cząsteczkę z jednostkami bocznymi, które miały efekt rozdzielania części cząsteczki, które mieszczą elektron i dziurę. Zsyntetyzowana cząsteczka została użyta jako akceptor w heterozłączu OSC w stanie masowym wraz z materiałem donorowym, a system wykazał zwiększoną wydajność konwersji mocy w porównaniu z akceptowanym standardem. Cząsteczka została również przetestowana jako pojedynczy składnik OSC i wykazała lepszą konwersję światła na prąd.
„Zaprojektowana przez nas cząsteczka pokazuje, że natura jednostek bocznych w cząsteczkach akceptorowych jest kluczowa dla zachowania ekscytonu i jego wydajności w rezultacie” — mówi starszy autor Yutaka Ie. „Ten wynik stanowi ważną demonstrację tego, co można osiągnąć poprzez dostrojenie chemii do zastosowań OSC”.
Wyniki wskazują na potencjał racjonalnego projektowania półprzewodników organicznych i oczekuje się, że doprowadzą do powstania nowych urządzeń, w tym wysokowydajnych OSC i przezroczystych OSC selektywnych pod względem długości fali. Oczekuje się również, że ogólne ulepszenia wydajności zwiększą potencjał OSC w zastosowaniach fotowoltaicznych na dużą skalę, co naturalnie doprowadzi do alternatywnych źródeł zielonej energii.
