Cientistas da TU Dresden e da Hasselt University, na Bélgica, investigaram as causas físicas que limitam a eficiência de novas células solares baseadas em materiais moleculares orgânicos. Atualmente, a voltagem de tais células ainda é muito baixa - uma razão para suas eficiências ainda relativamente baixas.

Em seu estudo, investigando as vibrações das moléculas nos filmes finos, os cientistas foram capazes de mostrar que efeitos quânticos fundamentais, as chamadas vibrações de ponto zero, pode fazer uma contribuição significativa para as perdas de tensão. O estudo já foi publicado na revista Nature Communications .

As células solares são um ponto de cristalização de grandes esperanças para a necessária transformação da produção global de energia. Fotovoltaica orgânica (OPV), que é baseado em orgânico, isto é, materiais à base de carbono, poderia ser idealmente adequado para se tornar um pilar importante no mix de energia dos "renováveis" porque eles têm um melhor balanço ecológico em comparação com os módulos convencionais à base de silício e apenas uma pequena quantidade de material é necessária para produzir os filmes finos. Contudo, um novo aumento na eficiência é necessário. É baseado em vários valores característicos, como a tensão de circuito aberto, cujos valores muito baixos são atualmente a principal razão para eficiências ainda bastante moderadas de OPV.

O estudo investigou as razões físicas para isso - incluindo as vibrações das moléculas nos filmes finos. Foi mostrado que as chamadas vibrações de ponto zero - um efeito da física quântica que caracteriza o movimento em temperatura zero absoluta - podem ter uma influência significativa nas perdas de tensão. Foi demonstrada uma relação direta entre propriedades moleculares e propriedades macroscópicas do dispositivo. Os resultados fornecem informações importantes para o desenvolvimento e aprimoramento de novos materiais orgânicos.

A borda de baixa energia dos espectros de absorção óptica é crucial para o desempenho das células solares, mas no caso de células solares orgânicas com muitos fatores de influência ainda não é bem compreendido. No presente estudo, a origem microscópica de bandas de absorção em sistemas de mistura molecular e seu papel em células solares orgânicas foi investigada. O foco estava na dependência da temperatura das características de absorção, que foi investigado teoricamente sob consideração das vibrações moleculares. As simulações combinaram muito bem com os espectros de absorção medidos experimentalmente, o que leva a uma série de descobertas importantes.

Os autores descobriram que as vibrações do ponto zero, mediada pela interação elétron-fônon, causar uma largura de banda de absorção considerável. Isso leva à reemissão de uma parte da energia que não é utilizada e, portanto, reduz a tensão de circuito aberto. Essas perdas de tensão agora podem ser previstas a partir de parâmetros moleculares eletrônicos e vibrônicos. O que é incomum é que esse efeito é forte mesmo em temperatura ambiente e pode reduzir significativamente a eficiência da célula solar orgânica. Quais estratégias para reduzir essas perdas de tensão induzidas por vibração podem ser aplicadas está sendo discutido pelos autores para um maior número de sistemas e diferentes geometrias de heterojunção.