Η νέα μελέτη προσφέρει έναν οδικό χάρτη για την υπέρβαση του περιορισμού (Interesting Engineering)
Μια διεθνής ομάδα ερευνητών αποκάλυψε τον κρυφό μηχανισμό που περιορίζει την απόδοση των οργανικών ηλιακών κυττάρων και θα μπορούσε να τα βοηθήσει να ξεπεράσουν το όριο αποδοτικότητας του 20%.
Η μελέτη, με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Linköping στη Σουηδία, το Πανεπιστήμιο του Πότσνταμ στη Γερμανία και το Ινστιτούτο Paul Drude στο Βερολίνο, ρίχνει φως σε μια μακροχρόνια πρόκληση στην ανάπτυξη οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV).
Τα OPV ηλιακά κύτταρα προσφέρουν μια εναλλακτική χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και βασισμένη σε άφθονα υλικά στη Γη σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά.
Έχουν επίσης τη δυνατότητα να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με χαμηλότερο κόστος από τις πρώτης και δεύτερης γενιάς ηλιακές τεχνολογίες.
Σύμφωνα με την ομάδα, τα ευρήματα θα μπορούσαν να προσφέρουν έναν οδικό χάρτη για τη δημιουργία πιο αποδοτικών ηλιακών κυττάρων που θα μπορούν να ανταγωνιστούν τις ήδη καθιερωμένες τεχνολογίες με βάση το πυρίτιο.
Ένα ηλιακό μυστήριο
Η απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου καθορίζεται από τρεις παράγοντες. Αυτοί περιλαμβάνουν το ρεύμα βραχυκυκλώματος, την τάση ανοιχτού κυκλώματος και τον συντελεστή πλήρωσης (fill factor).
Αν και και οι τρεις επηρεάζουν την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να παραχθεί, η βελτίωση του ενός συχνά γίνεται εις βάρος ενός άλλου.
Έτσι, οι ερευνητές αντιμετώπιζαν για χρόνια μια επίμονη αντιστάθμιση στα οργανικά ηλιακά κύτταρα.
Οι προσπάθειες αύξησης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος συχνά οδηγούσαν σε χαμηλότερο συντελεστή πλήρωσης. Ταυτόχρονα, βελτιώσεις στον συντελεστή πλήρωσης συχνά μείωναν την τάση.
Καθώς η αποδοτικότητα των οργανικών ηλιακών κυττάρων πλησιάζει και ξεπερνά το 20%, αυτή η αντιστάθμιση γίνεται ολοένα και πιο δύσκολο να ξεπεραστεί.
Για να αντιμετωπίσουν την πρόκληση, ο Dieter Neher, PhD, από το Πανεπιστήμιο του Πότσνταμ, ο Feng Gao, PhD, από το Πανεπιστήμιο Linköping, καθώς και η Safa Shoaee, PhD, από το Ινστιτούτο Paul Drude για τη Στερεάς Κατάστασης Ηλεκτρονική, συνεργάστηκαν για να διερευνήσουν τη βασική αιτία του προβλήματος.
Σε συνεργασία με άλλους ειδικούς στον τομέα, η ομάδα εξέτασε γιατί τα κέρδη αποδοτικότητας στα οργανικά ηλιακά κύτταρα αρχίζουν να επιβραδύνονται σε υψηλότερα επίπεδα απόδοσης.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπό συγκεκριμένες συνθήκες, η δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων στο ενεργό στρώμα του ηλιακού κυττάρου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ηλεκτρικό πεδίο στο οργανικό ημιαγώγιμο υλικό.
«Αυτό οδηγεί σε έναν προηγουμένως ελάχιστα κατανοητό περιορισμό στον συντελεστή πλήρωσης, ο οποίος γίνεται ιδιαίτερα σημαντικός όταν οι απώλειες τάσης πρέπει να ελαχιστοποιηθούν», σημείωσε ο Neher, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Πότσνταμ.
Μέσα στο “μποτιλιάρισμα”
Όταν το ηλιακό φως πέφτει σε ένα οργανικό ηλιακό κύτταρο, δημιουργεί εξιτόνια, δηλαδή δεσμευμένα ζεύγη αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων οπών.
Επειδή αυτά τα ζεύγη δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα, πρέπει πρώτα να διαχωριστούν σε ελεύθερα φορτία που μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις ενός ολόκληρου ηλιακού κυττάρου, η ομάδα διαπίστωσε ότι δύο παράγοντες παίζουν κρίσιμο ρόλο σε αυτή τη διαδικασία: πόσο χρόνο επιβιώνουν τα εξιτόνια και πόση ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη μεταφορά φορτίου.
Και οι δύο παράμετροι αναγνωρίστηκαν ως οι σημαντικότεροι καθοριστικοί παράγοντες του συντελεστή πλήρωσης σε χαμηλές απώλειες τάσης.
«Καταφέραμε να εντοπίσουμε την αντιστάθμιση μεταξύ συντελεστή πλήρωσης και τάσης ανοιχτού κυκλώματος σε λίγα φυσικά μεγέθη και να προσομοιώσουμε πώς αυτός ο περιορισμός μπορεί να μετριαστεί σημαντικά αυξάνοντας τον χρόνο ζωής των εξιτονίων», κατέληξε ο Neher σε δελτίο Τύπου.
Η ομάδα έδειξε ότι η επιμήκυνση του χρόνου ζωής των εξιτονίων μπορεί να μειώσει σημαντικά το πρόβλημα.
Για να επιβεβαιώσουν την ιδέα, ανέπτυξαν επίσης νέους συνδυασμούς οργανικών υλικών και τους χρησιμοποίησαν για την παραγωγή ηλιακών κυττάρων.
Οι συσκευές απέδωσαν τόσο υψηλούς συντελεστές πλήρωσης όσο και ισχυρή συνολική ισχύ.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα ευρήματα παρέχουν γενικές αρχές σχεδιασμού που θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη μελλοντικών οργανικών φωτοβολταϊκών υλικών και αρχιτεκτονικών συσκευών.
(Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Photonics)
www.worldenergynews.gr
