As células solares orgânicas têm o potencial de se tornar uma fonte de energia renovável barata e rápida de implantar e aumentar. Físicos da Universidade de Oxford exploraram alguns dos fundamentos científicos de como essas células se formam e atuam.

A energia solar representa atualmente menos de 2% da eletricidade gerada em todo o mundo, mas pode dar uma grande contribuição para a sustentabilidade. Alcançar escala envolve implantá-lo em uma grande área de superfície. "Precisamos de vários milhares de quilômetros quadrados para reduzir o fornecimento de energia mundial, então a capacidade de aumentar a escala rapidamente e com baixo custo é vital, "diz o professor Moritz Riede, o pesquisador principal da OSC Go e professor associado de nanomateriais funcionais suaves em Oxford. "Você gostaria de ser capaz de revestir quilômetros quadrados com células solares de uma forma rápida e barata."

A maioria dos sistemas solares disponíveis comercialmente são baseados em semicondutores de silício inorgânico. Orgânico, fotovoltaicos à base de carbono podem oferecer muitas vantagens - são leves e flexíveis, pode vir em cores diferentes, e são feitos de forma barata, usando processos de baixa temperatura. Infelizmente, atualmente, eles também são muito menos eficientes na conversão da luz solar em eletricidade do que os sistemas convencionais à base de silício.

A equipe OSC Go passou os últimos quatro anos explorando algumas das questões fundamentais sobre como as células solares orgânicas (OSCs) são feitas com o objetivo de melhorar seu desempenho.

Observando deposição

As relações estrutura-propriedade têm sido o foco principal de suas pesquisas, já que o arranjo das moléculas dentro de uma célula solar orgânica pode ter um grande impacto em seu desempenho. A equipe desenvolveu formas de usar luz de vários comprimentos de onda - de raios X a infravermelho próximo - para sondar como as moléculas se organizam em filmes finos. "Isso geralmente é investigado quando está totalmente formado, depois que o processo terminar, mas podemos observar as moléculas durante o processo de deposição, "diz o Prof. Riede, "para que possamos ver como as moléculas se compactam e o que podemos fazer para manipular seu arranjo."

Usando Fullerene C60, um material frequentemente usado para fazer OSCs, a equipe conseguiu observar como os defeitos podem se formar nesses filmes finos e até influenciar o resultado. "Observamos falhas de empilhamento C em uma direção molecular específica, "diz o Prof. Riede, "isso nos deu um ponto de dados importante no nível estrutural para interpretar o desempenho de tais dispositivos."

Ótimos modelos de comportamento

Em uma célula solar orgânica, a luz solar é absorvida nas camadas fotoativas geralmente consistindo de uma mistura de dois materiais - doadores de elétrons e moléculas aceitadoras - onde é convertida em eletricidade. Os pesquisadores do OSC Go passaram um tempo avaliando o desempenho de células solares de heterojunção diluída - aquelas em que o conteúdo de doadores é de 5% ou menos.

"Esses dispositivos funcionaram surpreendentemente bem, "diz o Prof. Riede, "portanto, estivemos procurando em células C60 puras para ver como as moléculas se compactam e como se compactam e atuam na presença de outras moléculas. Esses dispositivos são sistemas modelo excelentes e tentamos unir os resultados microestruturais com os fotofísicos."

O efeito das mudanças na microestrutura sobre o desempenho dos dispositivos foi uma terceira área de estudo. Em colaboração com a empresa química Merck, a equipe investigou o que acontece quando o filme OSC é submetido a altas temperaturas ou exposto à luz solar por longos períodos de tempo, o que eles farão durante a operação. "Medimos as mudanças na microestrutura com raios-X e outros métodos e fomos capazes de relacionar essas mudanças às mudanças no desempenho dos OSCs, "diz o Prof. Riede, "então isso nos permite procurar maneiras de inibir isso."

Uma melhor compreensão do que está acontecendo em nanoescala será muito útil quando se trata de escolher quais materiais usar para fazer OSCs eficientes, O Prof. Riede acredita.

"Há uma infinidade de materiais que você pode usar e pode-se ajustar os materiais e melhorar seu desempenho por meio de um design químico inteligente e boas condições de fabricação, " ele diz, "mas ser capaz de fazer isso, você também deve ser capaz de compreender os fundamentos. "