A energia fotovoltaica orgânica flexível e transparente pode ser integrada em janelas ou estufas. Crédito:2024 KAUST As células solares transparentes transformarão a aparência da infraestrutura, permitindo que muito mais superfícies se transformem em painéis solares. Agora, materiais chamados aceitadores de não fulereno, que podem gerar intrinsecamente cargas quando expostos à luz solar, poderiam tornar mais fácil a produção de energia fotovoltaica orgânica semitransparente, mostra uma equipe internacional liderada pela KAUST.
A energia fotovoltaica semitransparente é capaz de converter a luz solar em eletricidade sem bloquear a luz visível. Isto os torna atraentes para a construção de aplicações integradas, como janelas, fachadas e estufas.
Ao contrário das células tradicionais à base de silício, a energia fotovoltaica orgânica pode ser flexível e também pode ser adaptada para ser transparente. No entanto, quanto mais transparente for a célula solar, menos luz ela capta para a produção de eletricidade.
As células solares orgânicas normalmente dependem de uma camada ativa chamada heterojunção em massa – composta de materiais doadores e aceitadores de elétrons – para capturar e converter a luz solar. Após o contato, a luz solar pode excitar elétrons para estados de energia mais elevados na heterojunção, o que cria pares elétron-buraco, ou excitons, que se separam na interface doador-aceitador.
Com esta separação de carga, os elétrons migram em direção ao aceitador, enquanto as lacunas carregadas positivamente se movem em direção ao doador, gerando eletricidade. As heterojunções geralmente têm quantidades iguais de materiais doadores e aceitadores para promover a captação e conversão de luz, mas os dispositivos não são transparentes.
Nos últimos cinco anos, os aceitadores de não fulereno produziram dispositivos baseados em heterojunções com eficiências recordes, aproximando-se da marca de 20%. No entanto, pesquisadores sugeriram recentemente que filmes de componente único do aceitador não-fulereno Y6 poderiam gerar cargas sem a necessidade de uma heterojunção quando expostos à luz solar.
Inspirada por esta descoberta, a equipe liderada por Derya Baran e o pós-doutorado Anirudh Sharma investigou a geração de carga em outros aceitadores não-fulerenos. Semelhante ao Y6, os aceitadores, que absorvem fortemente a luz infravermelha próxima, produziram cargas sem interface doador-aceitador. Fizeram-no porque o exciton se dividiu espontaneamente, o que surpreendeu os investigadores. As descobertas foram publicadas na revista Advanced Materials .
“Isto desafia a nossa compreensão de como estes dispositivos funcionam e leva a uma reavaliação”, diz Sharma.
Os pesquisadores desenvolveram energia fotovoltaica orgânica semitransparente termicamente estável usando os aceitadores de absorção do infravermelho próximo. Estes são mais transparentes na região visível, com ou sem uma quantidade mínima de materiais doadores que absorvem luz visível em uma heterojunção.
Na ausência de material doador, os dispositivos tiveram um desempenho ruim devido a uma separação limitada de cargas. A adição de doadores melhorou a geração de carga e a migração de furos em direção ao ânodo, melhorando a eficiência. “Isso nos permitiu fabricar células solares parcialmente transparentes, ao mesmo tempo que convertem a luz solar em eletricidade”, diz Sharma.
Os módulos solares baseados em dispositivos semitransparentes resultaram em 5,3% de eficiência e 82% de transmitância visível, indicando seu alto grau de transparência.
"Estamos agora investigando os aceitadores de não-fulereno da próxima geração em um nível fundamental para compreender sua fotofísica e como as camadas de transporte de carga impactam o desempenho geral dos dispositivos de homojunção", diz Sharma.
