Seleção de células solares no laboratório do engenheiro de pesquisa principal do GTRI, Jud Ready. As células incluem 3D, CZTS, fotovoltaico orgânico, e silício. Crédito:Georgia Tech / Branden Camp
Um material de energia solar que é notavelmente durável e acessível é lamentavelmente também inutilizável se mal gerar eletricidade, assim, muitos pesquisadores abandonaram as tecnologias solares orgânicas emergentes. Mas ultimamente, uma mudança na química subjacente aumentou a produção de energia, e um novo estudo revelou ajustes contra-intuitivos que tornam a nova química um sucesso.
A mudança é de "fulereno" para "aceitadores não fulerenos" (NFAs), termos detalhados abaixo, e na geração de eletricidade fotovoltaica, o aceitador é uma molécula com potencial para ser para os elétrons o que um receptor é para uma bola de beisebol. As moléculas doadoras correspondentes "lançam" elétrons para "receptores" aceitadores para criar corrente elétrica. O altamente citado químico Jean-Luc Brédas, do Georgia Institute of Technology, promoveu a tecnologia e também liderou o novo estudo.
"Os NFAs são bestas complexas e fazem coisas que a atual tecnologia solar de silício não faz. Você pode moldá-los, torná-los semitransparentes ou coloridos. Mas seu grande potencial está na possibilidade de ajustar como eles liberam e movem elétrons para gerar eletricidade, "disse Brédas, Professor Regents na Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech.
Ganhando em silício
Apenas nos últimos quatro anos, A sintonia da química do NFA impulsionou a tecnologia fotovoltaica orgânica, de uma conversão inicial de apenas 1% da luz solar em eletricidade para uma conversão de 18% em experimentos recentes. Por comparação, os módulos solares de silício de alta qualidade já existentes no mercado convertem cerca de 20%.
"A teoria diz que devemos ser capazes de alcançar mais de 25% de conversão com energia solar à base de NFA orgânico se pudermos controlar a perda de energia por meio da morfologia, "disse Tonghui Wang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Brédas e primeiro autor do estudo.
Morfologia, as formas que as moléculas assumem em um material, é a chave para a maior eficiência da tecnologia solar NFA, mas como isso funciona no nível molecular é um mistério. O novo estudo modelou cuidadosamente pequenos ajustes nas formas moleculares e calculou a conversão de energia correspondente em um par doador / aceptor de elétrons NFA comum.
Um não intuitivo, Um minúsculo ajuste químico permite que dois componentes moleculares se encaixem de uma maneira que aumenta a conversão de luz em eletricidade. O componente amarelo passou pelo ajuste. É composto por um aceptor não fulereno (NFA), que recebe elétrons do componente azul, um doador de elétrons. Graças ao mesmo ajuste químico, os dois componentes moleculares também estão bem embalados no material para facilitar a condução de elétrons para eletrodos vizinhos (não mostrado). Crédito:Georgia Tech / Breda lab / Tonghui Wang
O desempenho melhorado não veio de ajustes na mão metafórica do receptor, nem da mão do doador para arremessar, mas de algo semelhante à posição dos pés do receptor. Algumas posições alinhavam melhor o "corpo" do aceptor com o do doador de elétrons.
Os "pés" eram um componente minúsculo, um grupo metoxi, no aceitador, e duas das quatro posições possíveis que assumiu impulsionaram a conversão de luz em eletricidade de 6% para 12%. Brédas e Wang publicaram seu estudo, Células solares orgânicas baseadas em aceitadores de moléculas pequenas não fulerenos:impacto da posição do substituinte , em 20 de novembro, 2019, no jornal Matéria . A pesquisa foi financiada pelo Office of Naval Research.
(O par químico doador / aceitador era PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, ou -4, com -2 e -3 mostrando geração de eletricidade superior. Consulte a citação no final para obter um nome químico completo.)
Células de silício desajeitadas
As células solares com base em NFA comercializáveis podem ter muitas vantagens sobre o silício, que requer a mineração de cascalho de quartzo, fundindo como ferro, purificando-o como aço, em seguida, cortá-lo e usiná-lo. Por contraste, as células solares orgânicas começam como solventes baratos que podem ser impressos em superfícies.
As células de silício são geralmente rígidas e pesadas e enfraquecem com o calor e o estresse leve, enquanto as células solares baseadas em NFA são leves, flexível, e resistente ao estresse. Eles também têm propriedades fotoelétricas mais complexas. Em camadas fotoativas baseadas em NFA, quando os fótons excitam os elétrons para fora das órbitas externas das moléculas doadoras, os elétrons dançam em torno dos buracos de elétrons que eles criaram, configurando-os para uma transferência personalizada para os aceitantes.
"O silício tira um elétron da órbita quando os fótons o excitam além de um limite. Está ligado ou desligado; você obtém um elétron de condução ou nenhum elétron de condução, "disse Brédas, que também é Vasser Woolley Chair in Molecular Design na Georgia Tech. "Os NFAs são mais sutis. Um doador de elétrons alcança um elétron, e o aceitador de elétrons o puxa para longe. A capacidade de ajustar a morfologia torna sintonizável a transferência de elétrons. "
O material fotovoltaico orgânico tem dois componentes moleculares, mostrado aqui em azul e amarelo. A molécula azul é um doador de elétrons, e a molécula amarela é um aceitador não-fulereno (elétron) (NFA). A modelagem em um novo estudo mostrou que um minúsculo ajuste no NFA aumenta drasticamente a taxa de conversão de luz em eletricidade. Crédito:Georgia Tech / Bredas lab / Tonghui Wang
Não é um fulereno
Como o nome diz, aceitadores não-fulerenos não são fulerenos, que são moléculas de carbono puro com estruturas bastante uniformes e geométricas de elementos pentagonais ou hexagonais repetidos. Nanotubos, grafeno, e fuligem são exemplos de fulerenos, que têm o nome do arquiteto Buckminster Fuller, que era famoso por projetar cúpulas geodésicas.
Os fulerenos são mais estriados em estrutura molecular e sintonia do que os não fulerenos, que são mais livremente projetados para serem flexíveis e flexíveis. Os doadores e aceitadores baseados em NFA podem envolver uns aos outros como redemoinhos precisos de massa de chocolate e baunilha em um bolo Bundt, dando-lhes vantagens além da doação e aceitação de elétrons - como melhor empacotamento molecular em um material.
"Outro ponto é como as moléculas aceitadoras são conectadas umas às outras para que o elétron aceito tenha um caminho condutor para um eletrodo, "Disse Brédas." E vale para os doadores, também."
Como em qualquer célula solar, elétrons de condução precisam de uma saída do material fotovoltaico para um eletrodo, e deve haver um caminho de retorno ao eletrodo oposto para que os elétrons que chegam preencham as lacunas que os elétrons que partem deixaram para trás.
Citações de alto impacto
Os elogios de Brédas são numerosos, mas ele ganhou atenção principalmente por sua pontuação no índice h do Google Scholar, um cálculo do impacto das publicações de um pesquisador. A pontuação atual de Breda de 146 provavelmente o coloca entre os 700 pesquisadores publicados de maior impacto na história global moderna.
Ele tem sido um líder particularmente notável na pesquisa de fotoelétricos e semicondutores com base em química orgânica prática e acessível.
