Τα οργανικά ηλιακά κύτταρα έχουν ξεπεράσει το 20% πιστοποιημένης απόδοσης μετατροπής ισχύος, ενώ συσκευές εργαστηριακής κλίμακας έχουν υπερβεί το 21% μέσω καινοτομιών σε μη φουλερενικούς δέκτες και βελτιστοποίηση συσκευών
Ερευνητές στο City University of Hong Kong (CityUHK) ανέφεραν μια σημαντική εξέλιξη στα οργανικά φωτοβολταϊκά (PV), επιτυγχάνοντας απόδοση μετατροπής ισχύος 20,5% σε ένα οργανικό ηλιακό κύτταρο.
Το ορόσημο αυτό κατέστη δυνατό μέσω μιας νέας στρατηγικής που επανασυνδέει τις συνήθως μη εκπεμπτικές διεγερμένες καταστάσεις triplet σε εξαγώγιμους ελεύθερους φορείς φορτίου, μειώνοντας σημαντικά τις ενεργειακές απώλειες που παραδοσιακά περιορίζουν την απόδοση των οργανικών φωτοβολταϊκών κυττάρων.
Σε αυτά τα κύτταρα, οι διεγερμένες καταστάσεις triplet θεωρούνται συχνά κανάλια απωλειών, επειδή η μεγάλη διάρκεια ζωής τους και οι απαγορευμένες λόγω spin μεταβάσεις τους εμποδίζουν την αποτελεσματική δημιουργία φορτίου.
Η ομάδα του CityUHK ανέπτυξε έναν μηχανισμό που μετατρέπει αυτές τις παγιδευμένες διεγέρσεις σε ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές, τα οποία μπορούν να συλλεχθούν στα ηλεκτρόδια, βελτιώνοντας έτσι τη δημιουργία φωτορεύματος χωρίς να υποβαθμίζεται η τάση της συσκευής.
Τα οργανικά ηλιακά κύτταρα έχουν μέχρι σήμερα επιτύχει πιστοποιημένες αποδόσεις άνω του 20%, ενώ συσκευές εργαστηριακής κλίμακας έχουν ξεπεράσει το 21% μέσω εξελίξεων στους μη φουλερενικούς δέκτες, στον έλεγχο της μορφολογίας και στη μείωση των ενεργειακών απωλειών.
Το οργανικό ηλιακό κύτταρο που ανέπτυξαν οι ερευνητές ενσωματώνει έναν μη φουλερενικό δέκτη μικρού μορίου (NFA) γνωστό ως FTh-4F.
Χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό αποδοχής ηλεκτρονίων στα οργανικά ηλιακά κύτταρα και ανήκει στην οικογένεια των συγχωνευμένων δακτυλιοειδών δεκτών ηλεκτρονίων.
Έχει σχεδιαστεί ώστε να παρέχει ισχυρή απορρόφηση στο εγγύς υπέρυθρο, αποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρονίων και χαμηλή ενεργειακή απώλεια.
«Με την εισαγωγή αυτού του δέκτη ως τριτογενούς συστατικού σε άλλα συστήματα οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV), καταφέρνουμε να ανακτήσουμε τις απώλειες που σχετίζονται με τα triplet και να βελτιώσουμε τις αποδόσεις των OPV μεγιστοποιώντας τον αριθμό των εξαγώγιμων φωτοφορέων», εξήγησαν.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι οι ελεύθεροι φορείς φορτίου παραμένουν για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από τις διεγερμένες καταστάσεις spin-triplet, γεγονός που δείχνει ότι οι διεγερμένες καταστάσεις triplet μπορούν να μετατραπούν ξανά σε ελεύθερους φορείς φορτίου αντί να χάνονται ως θερμότητα.
Αυξάνοντας τον πληθυσμό των διεγερμένων καταστάσεων triplet μέσω ευαισθητοποίησης, επιβεβαίωσαν πειραματικά αυτή τη διαδρομή ανακύκλωσης μέσω διεπιφανειακών καταστάσεων μεταφοράς φορτίου triplet.
Επιπλέον, η βελτιστοποίηση της δομής των πλευρικών αλυσίδων του δέκτη και της αποτοπικοποίησης των διεγέρσεων μείωσε το ενεργειακό χάσμα singlet–triplet (ΔEST), καθιστώντας πιο αποτελεσματική τη διάσπαση των διεγερμένων καταστάσεων triplet.
Η ερευνητική ομάδα δήλωσε ότι μεταγενέστερα εργαστηριακά πειράματα έχουν προωθήσει περαιτέρω την απόδοση των κυττάρων, αυξάνοντας την απόδοση μετατροπής ισχύος πάνω από το 21%, χωρίς να παράσχει περισσότερες λεπτομέρειες.
Η νέα τεχνολογία κυττάρων περιγράφηκε στη μελέτη «Recycling of spin-triplet excitons in organic photovoltaics», η οποία δημοσιεύθηκε στο Nature.
«Η μελέτη αυτή βελτιώνει το επιστημονικό πλαίσιο σχετικά με την εξέλιξη των διεγέρσεων/φορέων φορτίου στις οργανικές οπτοηλεκτρονικές συσκευές και ανοίγει ευρείες προοπτικές εφαρμογών για συστήματα που περιλαμβάνουν διαδικασίες διαχωρισμού φορτίου και επανασυνδυασμού φορτίου», δήλωσαν οι ακαδημαϊκοί.
«Αυτή η ανακάλυψη αναμένεται να ενισχύσει σημαντικά την αποδοτικότητα αξιοποίησης της ενέργειας και να επιταχύνει τη μετάβαση προς ένα καθαρότερο, πιο αποδοτικό και βιώσιμο μέλλον» κατέληξαν οι ίδιοι.
www.worldenergynews.gr
