Cientistas de materiais da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) alcançaram um novo recorde no desempenho de produtos orgânicos, não baseado em fulereno, células solares de junção única. Usando uma série de otimizações complexas, eles alcançaram eficiência de conversão de energia certificada de 12,25 por cento em uma área de superfície medindo um centímetro quadrado. Essa área de superfície padronizada é o estágio preliminar para a fabricação do protótipo. Os resultados, alcançado em conjunto com parceiros da South China University of Technology (SCUT), agora foram publicados em Nature Energy .

Os sistemas fotovoltaicos orgânicos passaram por um rápido desenvolvimento nos últimos anos. Na maioria dos casos, as células solares orgânicas consistem em duas camadas de semicondutores - uma atua como doadora, fornecendo os elétrons, e o segundo atua como um aceitador ou condutor de elétrons. Em contraste com o silício convencionalmente usado, que deve ser retirado de um fundido ou precipitado em sistemas de vácuo, as camadas de polímero neste sistema podem ser depositadas a partir de uma solução diretamente em um filme de suporte. Por um lado, isso significa custos de fabricação comparativamente baixos, e por outro lado, esses módulos flexíveis podem ser usados ​​mais facilmente do que células solares de silício em espaços urbanos. Por muito tempo, fulerenos, que são nanopartículas à base de carbono, foram considerados aceitadores ideais, mas as perdas intrínsecas de compósitos à base de fulereno ainda limitam severamente sua eficiência potencial. O trabalho desenvolvido na FAU resultou, assim, numa mudança de paradigma. "Com nossos parceiros na China, descobrimos uma nova molécula orgânica que absorve mais luz do que os fulerenos que também é muito durável, "diz o Prof. Dr. Christoph Brabec, Cadeira de Ciência de Materiais (Materiais em Eletrônica e Tecnologia de Energia) na FAU.

Padronização complexa

As melhorias significativas no desempenho e durabilidade significam que os fotovoltaicos impressos híbridos orgânicos estão agora se tornando interessantes para uso comercial. Contudo, para desenvolver protótipos práticos, a tecnologia deve ser transferida das dimensões de laboratório de alguns milímetros quadrados para a dimensão padronizada de um centímetro quadrado.

"Perdas significativas ocorrem frequentemente durante o dimensionamento, "diz o Dr. Ning Li, um cientista de materiais na cadeira do Prof. Brabec. Durante um projeto financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), Ning Li e seus colegas da SCUT em Guangzou conseguiram reduzir significativamente essas perdas. Em um processo complexo, eles ajustaram a absorção de luz, níveis de energia e microestruturas dos semicondutores orgânicos. O foco principal dessa otimização foi a compatibilidade do doador e do aceitante, e o equilíbrio da densidade de corrente de curto-circuito e tensão de circuito aberto, que são pré-requisitos importantes para uma alta produção de eletricidade.

Eficiência de registro certificado

"Acho que a melhor maneira de descrever nosso trabalho é imaginando uma caixa de peças de Lego, "diz Li." Nossos parceiros na China inseriram e ajustaram grupos moleculares únicos na estrutura do polímero, e cada um desses grupos influencia uma característica especial que é importante para o funcionamento das células solares. "Isso resulta em uma eficiência de conversão de energia de 12,25 por cento - um novo recorde certificado para células solares orgânicas de junção única baseadas em solução com uma área de superfície de um centímetro quadrado, onde o aceitador não consiste em fulerenos. Também é interessante notar que os pesquisadores tiveram sucesso em manter as perdas de escala em níveis tão baixos que o valor mais alto no laboratório em uma superfície pequena foi apenas marginalmente abaixo de 13 por cento. Ao mesmo tempo, eles foram capazes de demonstrar uma estabilidade relevante para a produção sob condições simuladas, como temperatura e luz solar.

A próxima etapa envolve a ampliação do modelo para o tamanho do módulo na Fábrica Solar do Futuro no Energie Campus Nürnberg (EnCN) antes do início do desenvolvimento de protótipos práticos.