Simulações revelam metas de eficiência e regras de design para maximizar a conversão de luz em eletricidade usando células solares orgânicas.

As células solares orgânicas em breve poderão rivalizar com as tecnologias fotovoltaicas tradicionais baseadas em silício em termos de eficiência de conversão. Uma equipe do KAUST Solar Center desenvolveu uma abordagem computacional que fornece metas práticas de desempenho e regras úteis para ajudar a projetar e desenvolver sistemas de materiais para células solares orgânicas ideais.

A maioria dos painéis solares depende de semicondutores inorgânicos para coletar e converter a luz solar em eletricidade. Materiais fotovoltaicos orgânicos, Contudo, emergiram como leves, alternativas baratas. Esses materiais são fáceis de ajustar e processar em grandes escalas, o que os torna atraentes para a produção e comercialização industrial.

Células solares orgânicas de última geração dependem de heterojunções em massa, que combinam doadores de elétrons responsivos à luz e materiais aceitadores para formar uma camada ativa. A exposição à luz do sol cria um estado de excitação que gera pares de elétrons e buracos carregados positivamente, que são responsáveis ​​pela corrente elétrica. Esses portadores de carga precisam ser mantidos separados, que depende dos materiais doadores e aceitadores de elétrons.

Os materiais aceitadores à base de fulereno produziram células solares orgânicas com eficiências de conversão incomparáveis ​​por quase duas décadas. No entanto, esses materiais têm várias desvantagens, tais como perdas de alta tensão e má absorção do espectro solar, que restringiram a eficiência a 11 por cento. Enquanto isso, alternativas não completas recentemente superaram todas as células existentes à base de fulereno, Contudo, a falta de compreensão dos elementos que controlam a eficiência de conversão dessas células limitou o aprimoramento adicional no desempenho da célula.

Thomas Anthopoulos e colegas de trabalho usaram simulações de computador para avaliar a influência de vários parâmetros-chave, incluindo a absorção e espessura da camada ativa, mobilidade do portador de carga e taxa de recombinação de carga, no desempenho de células solares orgânicas não-fulllerene.

O pós-doutorado Yuliar Firdaus explica que as simulações tratam explicitamente o efeito desses parâmetros. Portanto, o limite de eficiência de célula calculado é semelhante à eficiência que células não baseadas em fulllerene podem atingir de forma realista com a melhoria contínua do material.

Os pesquisadores descobriram que as células não baseadas em fulllerene podem atingir eficiências superiores a 18 por cento, mesmo com a mobilidade de carga facilmente alcançável em sistemas de materiais existentes. A eficiência pode até ultrapassar 20% com mobilidades de elétrons e lacunas altas e balanceadas associadas a constantes de baixa taxa de recombinação. "Estou confiante de que as células não baseadas em fulllerene em breve atingirão esses limites de eficiência calculados, "Firdaus diz.

“Atualmente, estamos trabalhando em diferentes frentes, como o desenvolvimento de novas camadas interfaciais e formulações de dopantes, ao mesmo tempo em que mantém o mesmo objetivo principal:levar a eficiência das células solares orgânicas para mais perto dos limites práticos identificados em nosso estudo, "Firdaus diz.