Células solares orgânicas, feito de materiais à base de carbono, apresentam vantagens únicas em comparação com outras tecnologias de células solares. Por exemplo, eles podem ser fabricados por meio de tecnologias de impressão de baixo custo, e podem ser feitos semitransparentes com cores selecionáveis, que pode ser usado arquitetonicamente na integração de edifícios. Sua flexibilidade e baixo peso os tornam perfeitos para alimentar os sensores para aplicativos de internet das coisas.

Um dos principais desafios enfrentados pelo desenvolvimento de células solares orgânicas é que elas geralmente apresentam grandes perdas de energia. Agora, 25 pesquisadores de sete institutos de pesquisa elaboraram regras para o projeto de células solares orgânicas de alta eficiência. A pesquisa é liderada por Feng Gao, professor associado da Linkoping University, Suécia.

“Formulamos algumas regras de design racional para minimizar as perdas de energia em células solares orgânicas. Seguindo essas regras, apresentamos uma série de exemplos com baixas perdas de energia e altas eficiências de conversão de energia, "diz Feng Gao, professor associado da Divisão de Eletrônica Biomolecular e Orgânica da Linkoping University.

As regras de design, que desafiam algumas ideias anteriormente sustentadas, foram publicados em um artigo na prestigiosa revista Materiais da Natureza .

Usando essas regras de design, as células solares orgânicas prometem alcançar seus concorrentes no que diz respeito à eficiência de conversão de energia, que mede a fração da energia da radiação solar que é convertida em eletricidade. O limite teórico para a fração da energia solar que pode ser obtida nas células solares é de cerca de 33 por cento. Experimentos de laboratório com células solares à base de silício alcançaram 25% no máximo. Os pesquisadores acreditavam até agora que o limite para células solares orgânicas é menor.

"Mas agora sabemos que não há diferença - o limite teórico é o mesmo para células solares fabricadas a partir de silício, perovskitas ou polímeros, "diz Olle Inganas, professor de eletrônica biomolecular e orgânica, Universidade de Linkoping.

Quando os fótons do sol são absorvidos pelo polímero semicondutor em uma célula solar, elétrons no material doador são elevados a um estado excitado, e buracos são formados no estado fundamental para os quais os elétrons permanecem atraídos. Para separar esses elétrons e buracos ligados, um material aceitador é adicionado. Contudo, este material aceitador geralmente resulta em perdas extras de energia, um problema que tem incomodado a comunidade de células solares orgânicas por mais de duas décadas.

O artigo em Materiais da Natureza apresenta duas regras fundamentais para minimizar as perdas de energia para células solares orgânicas altamente eficientes:

• Minimize a compensação de energia entre os componentes doador e aceitador.
• Certifique-se de que o componente de lacuna baixa na mistura tenha alta fotoluminescência.

Os pesquisadores dos sete institutos de pesquisa nos EUA, A China e a Europa produziram juntas cerca de uma dúzia de materiais, alguns dos quais foram relatados anteriormente e outros que são completamente novos. Eles os usaram para demonstrar que a nova teoria concorda com os resultados experimentais, mesmo que seja um tanto incompatível com o que se acreditava anteriormente.