Μια ομάδα ερευνητών από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Wuhan στην Κίνα κατασκεύασε ένα πολυμερές ηλιακό στοιχείο που μπορεί να επιτύχει απόδοση 19,1% διατηρώντας παράλληλα αξιοσημείωτα επίπεδα σταθερότητας.
Τα πολυμερικά συστήματα
Τα πολυμερικά ηλιακά στοιχεία είναι ένα υποσύνολο οργανικών ηλιακών στοιχείων όπου το ενεργό υλικό απορρόφησης φωτός είναι συγκεκριμένα ένα συζευγμένο πολυμερές.
«Τα πολυμερικά ηλιακά στοιχεία που χρησιμοποιούν πολυμερικούς δότες και δέκτες ηλεκτρονίων επιδεικνύουν ανώτερες μηχανικές ιδιότητες και θερμική σταθερότητα σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μικρά μοριακά στοιχεία», δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας της έρευνας, Wei Li, στο περιοδικό pv. «Ωστόσο, οι μακρόσυρτες ραχοκοκαλιές των πολυμερικών ημιαγωγών είναι επιρρεπείς στο να αυτοεμπλέγονται σε μεγάλα και ακανόνιστα συσσωματώματα, ως αποτέλεσμα της κατώτερης PCE καθώς και της ταχύτερης υποβάθμισης κατά τη λειτουργία. Διαπιστώσαμε ότι η ενσωμάτωση γραμμικά συσκευασμένου δέκτη μικρών μορίων μπορεί να βοηθήσει στην αποσύνδεση των πολυμερικών αλυσίδων, μετατρέποντας την ακανόνιστη μοριακή συσκευασία σε διατεταγμένη στοίβαξη.
Δημιουργία αποτελεσματικών οδών
«Αυτή η απλή στρατηγική δημιουργεί ταυτόχρονα αποτελεσματικές οδούς για τη μεταφορά φορτίου, ενώ μειώνει τον ελεύθερο όγκο μεταξύ του φωτοενεργού στρώματος», πρόσθεσε ο συν-συγγραφέας, Tao Wang. «Οι προκύπτουσες συσκευές διατηρούν το 97% της αρχικής απόδοσης μετά από 2.000 ώρες λειτουργίας στον αέρα, με παρεκβαλλόμενη διάρκεια ζωής που υπερβαίνει τις 100.000 ώρες. Αυτή η εργασία διευκρινίζει πώς οι μοριακές και μορφολογικές δομές των οργανικών ημιαγωγών διέπουν τη διάρκεια ζωής της συσκευής και παρέχει μια πρακτική οδό προς την εμπορευματοποίηση εύκαμπτων οργανικών φωτοβολταϊκών».
Στη μελέτη «Εξαιρετικά σταθερά πολυμερικά ηλιακά κύτταρα με διάρκεια ζωής T97 άνω των 2.000 ωρών στον αέρα», που δημοσιεύτηκε στο Matter, οι ερευνητές εξήγησαν ότι χρησιμοποίησαν πολυμερικούς δέκτες (PMAs) αντί για άλλους τύπους πολυμερών, επειδή προσφέρουν μια ξεχωριστή ισορροπία μεταξύ δομικής σταθερότητας και φωτοβολταϊκής απόδοσης.
Με μεγαλύτερη σταθερότητα
Σε αντίθεση με τους δέκτες μικρών μορίων (SMAs), οι πολυμερικοί μακρομοριακοί δέκτες (PMAs) κατασκευάζονται από μακριές συζευγμένες αλυσίδες ραχοκοκαλιάς. Αυτή η μακρομοριακή αρχιτεκτονική μειώνει τον ελεύθερο όγκο στο ενεργό στρώμα και περιορίζει την κίνηση των μορίων μεγάλης κλίμακας. Ως αποτέλεσμα, οι συσκευές που βασίζονται σε PMA παρουσιάζουν ανώτερη θερμική και μορφολογική σταθερότητα, μεταφραζόμενη σε σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής λειτουργίας.
Οι μηχανικές ιδιότητες παρέχουν ένα άλλο βασικό πλεονέκτημα των PMAs. Σε σύγκριση με τα συστήματα μικρών μορίων, οι πολυμερικοί δέκτες σχηματίζουν πιο ανθεκτικές και εύκαμπτες μεμβράνες. Η εμπλοκή της αλυσίδας ενισχύει τόσο τη μηχανική ανθεκτικότητα όσο και την ικανότητα σχηματισμού μεμβρανών, η οποία είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για εύκαμπτα και μεγάλης επιφάνειας ηλιακά κύτταρα. Αντίθετα, τα μικρά μόρια τείνουν να κρυσταλλώνονται υπερβολικά ή να υφίστανται διαχωρισμό φάσεων με την πάροδο του χρόνου, προκαλώντας μορφολογική αστάθεια και υποβάθμιση της συσκευής.
Τα μειονεκτήματα των PMAs
Ωστόσο, τα PMAs έχουν επίσης μειονεκτήματα. Οι μακριές αλυσίδες τους μπορούν να αυτοεμπλεχθούν σε αταξικά συσσωματώματα στη στερεά κατάσταση, μειώνοντας τη δομική τάξη στο ενεργό στρώμα. Αυτή η αταξία αυξάνει τον ανασυνδυασμό των φορέων φορτίου, με αποτέλεσμα συνήθως χαμηλότερες αποδόσεις μετατροπής ισχύος σε σύγκριση με τις συσκευές που βασίζονται σε SMA τελευταίας τεχνολογίας. Κατά συνέπεια, υπάρχει μια αντιστάθμιση μεταξύ απόδοσης και σταθερότητας.
Η ερευνητική ομάδα αντιμετώπισε αυτήν την πρόκληση εισάγοντας ένα μικρό κλάσμα προσεκτικά επιλεγμένου δέκτη μικρών μορίων στη μήτρα PMA. Αυτή η προσέγγιση αναφέρεται ότι βελτιώνει τη μοριακή συσκευασία και τη δομική τάξη, ενώ παράλληλα μετριάζει τις απώλειες ανασυνδυασμού και διατηρεί την εγγενή θερμική σταθερότητα του πολυμερικού συστήματος.
Το ηλιακό κύτταρο κατασκευάστηκε σε υπόστρωμα οξειδίου ινδίου-κασσιτέρου (ITO) με στρώμα μεταφοράς οπών τριοξειδίου του μολυβδαινίου (MoO₃) (HTL), ένα δότη πολυμερούς συζευγμένου με μεγάλο ενεργειακό χάσμα PM6, ένα ενεργό στρώμα βασισμένο σε πολυ(ακρυλικό μεθύλιο) (PMA), ένα στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων buckminsterfullerene (C60) (ETL), ένα στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος βαθοκουπροΐνης (BCP) και ένα μέταλλο αργύρου (Ag) επαφή.
Υπό κανονικό φωτισμό, η συσκευή πέτυχε απόδοση μετατροπής ισχύος 19,1%, τάση ανοιχτού κυκλώματος 0,941 V, πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος 26,3 mA/cm² και συντελεστή πλήρωσης 77,3%. Οι μετρήσεις φασματοσκοπίας απορρόφησης έδειξαν ότι η διάρκεια ζωής του στοιχείου ξεπέρασε τις 2.000 ώρες στον αέρα.
«Συμπερασματικά, επιτεύχθηκαν εξαιρετικά σταθερά πολυμερικά ηλιακά στοιχεία μέσω ειδικού σχεδιασμού των φωτοενεργών στρωμάτων και των στρωμάτων μεταφοράς φορτίου», δήλωσαν οι ερευνητές.
www.worldenergynews.gr
