p (Phys.org) - A luz solar absorvida por células solares orgânicas deve primeiro navegar por uma luva em nanoescala antes de se tornar eletricidade utilizável. Depois de atingir o material de absorção de luz da célula solar, chamada de camada fotoativa, a luz solar absorvida excita os elétrons, libertando-os para encontrar o caminho através de um labirinto cheio de reviravoltas, voltas, becos-sem-saída, e colisões. Apenas as cargas gratuitas que conseguem passar por este labirinto podem ser usadas em um circuito como eletricidade. Portanto, os cientistas estão procurando maneiras de aliviar o congestionamento de elétrons em fotovoltaicos orgânicos. p Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven e da Stony Brook University do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma maneira de mapear o grau de "congestionamento de tráfego" nas rodovias de elétrons dentro da camada fotoativa. Sua nova medição e técnica de rastreamento usa modos guiados por óptica - um processo de guiar a luz através de áreas precisas no plano horizontal das células solares - para ajudar os cientistas a entender melhor como os materiais usados ​​nas camadas fotoativas influenciam a velocidade e eficiência da viagem de elétrons.

p "Com a nossa técnica, agora você pode entender melhor até que ponto os elétrons se movem através da complexa rede da camada fotoativa, "disse o físico de Brookhaven Matthew Eisaman, líder da equipe no novo estudo publicado online em Materiais de energia avançados em 25 de agosto, 2013. "Estudos anteriores revelaram a composição do material, mas nossa técnica ilumina como essa estrutura impacta o transporte de elétrons. "

p Ao contrário das grandes células solares à base de silício que você pode ver normalmente em telhados domésticos ou dispostas em instalações de grande escala para gerar eletricidade, as células solares orgânicas são mais como plásticos flexíveis. As células orgânicas podem encontrar aplicações generalizadas na geração de energia portátil para uso comercial e militar ou mesmo nos chamados "sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios, "onde as células solares são integradas diretamente nas janelas, fachada, ou telhado de um edifício. Suas formas flexíveis podem ser feitas de maneira econômica em larga escala, fabricação rolo a rolo. Mas, por enquanto, esses materiais versáteis não são tão eficientes quanto as opções inorgânicas.

p Rastreando as cobranças

p Quando a luz excita os elétrons na camada fotoativa das células solares orgânicas, o processo cria um par de portadores de carga - um elétron e um "buraco, "a ausência de um elétron onde antes existia. Para se tornar cargas gratuitas, os pares de elétron-buraco devem ser separados, e isso ocorre nas interfaces de dois materiais que normalmente constituem a camada fotoativa, um sendo um aceitador de elétrons e o outro um doador de elétrons.

p As camadas fotoativas mais comumente usadas em células solares orgânicas são chamadas de heterojunções em massa (BHJs), em que os materiais aceitadores e doadores são misturados. Isso permite absorção de luz e extração de carga mais eficazes porque essas interfaces críticas estão presentes em toda a célula.

p As porções aceitadoras de elétrons e doadoras de elétrons da camada fotoativa BHJ são como dois tipos diferentes de redes rodoviárias dentro da célula solar, Eisaman explicou. Os elétrons viajam ao longo do sistema de rodovias aceitadoras de elétrons, que é feito de moléculas de fulereno, enquanto seus buracos correspondentes se movem através do sistema rodoviário doador de elétrons, que é feito de um polímero semicondutor. Entender como os elétrons se movem através da camada fotoativa BHJ tem o potencial de tornar as células solares orgânicas mais eficientes do que as disponíveis atualmente.

p Para revelar as estruturas internas e interações dessas rodovias BHJ, "Os cientistas do Brookhaven Lab investigaram as células solares com luz de diferentes direções.

p "As células solares são como panquecas, plano com uma grande área de superfície, "Eisaman disse." A luz solar normalmente atinge a célula solar pela parte superior e passa por suas camadas finas. Isso é chamado de incidência normal. "

p Anteriormente, os cientistas observavam a camada fotoativa lançando um laser através do topo da célula solar, semelhante ao sol. Mas sondar células solares com incidência normal é um método incompleto - a luz brilhada de cima tende a ter maior intensidade no topo da camada fotoativa, diminuindo à medida que é absorvido pelo material e limitando a resolução. O novo método que Eisaman e sua equipe desenvolveram envia luz horizontalmente através da fotovoltaica, e não apenas de cima.

p "Os modos ópticos guiados permitem um melhor controle da posição da luz, "Eisaman disse." A luz se propaga dentro do plano da panqueca, fornecendo informações mais precisas. "

p O fulereno e os materiais poliméricos não se misturam uniformemente em toda a camada fotoativa BHJ. Em vez de, os materiais tendem a "segregar fases, "com um lado sendo rico em polímero e o outro lado rico em fulereno. Esta segregação de fase afeta a propagação da luz e a passagem de elétrons e buracos através da camada. Usando sua imagem de alta resolução da camada fotoativa BHJ, os cientistas então mapearam como os elétrons viajam através da célula solar.

p "Os elétrons e buracos são como duas marcas diferentes de carros que viajam em dois tipos diferentes de rodovias, "disse Nanditha Dissanayake, autor principal do estudo. "Queremos entender a que 'saída' cada carro aparece pela primeira vez na rodovia de células solares, e o que acontece quando eles viajam para uma cidade - ou um contato elétrico - onde as rodovias terminam. "

p O novo método permitiu a Eisaman e sua equipe excitar seletivamente regiões dentro da camada fotoativa BHJ para que pudessem medir, com precisão e simplicidade sem precedentes, a distância que os elétrons viajam.

p "Com o método de incidência normal, você está criando muitos carros espalhados em algum lugar entre as saídas 35 e 50, "Eisaman disse." Mas com nossa técnica de modo guiado, somos capazes de criar carros exatamente na saída 60. Assim, podemos observar quantos deles viajaram com segurança daquela saída até o final da rodovia, desenhando claramente o caminho e revelando os buracos de panela, bloqueios de estradas e acidentes. "

p Adicionado Dissanayake, "Esta técnica dá a você uma compreensão fundamental de como a composição dentro de uma célula solar afeta a extração de carga e a eficiência de um dispositivo. Ela dá orientações às pessoas sobre como formular células solares de alta eficiência - não se limitando às orgânicas, mas também outros tipos de fotovoltaicos baseados em nanomateriais. "

p Os pesquisadores usaram instrumentos do Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório (CFN) para fabricar as células solares e caracterizar suas propriedades materiais. Eles também realizaram medições precisas na segregação de fase usando a fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven (NSLS).

p "Os recursos complementares das novas técnicas optoeletrônicas sendo desenvolvidas em nosso laboratório e as instalações de caracterização de materiais e fabricação de classe mundial na CFN tornam Brookhaven um lugar perfeito para fazer este trabalho, "Eisaman disse.

p "Esta técnica é fundamental para nossa estratégia de construção de recursos novos e exclusivos para a caracterização de dispositivos fotovoltaicos, "disse Patrick Looney, presidente do Departamento de Tecnologias de Energia Sustentável do Brookhaven Lab, onde Eisaman trabalha.

p O artigo é intitulado "Mapeando a probabilidade de coleta de carga resolvida espacialmente em sistemas fotovoltaicos de heterojunção em massa".