p Relação entre o limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica das células solares e a energia mínima da luz que pode ser absorvida pelas células solares (borda de absorção óptica) quando há uma perda de energia de 0,4 eV durante a separação de carga. A linha vermelha mostra o limite teórico de células solares inorgânicas, e a linha azul mostra o novo limite teórico das células solares orgânicas.
p Os pesquisadores da AIST calcularam o limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas, que ganharam atenção como uma nova geração de células solares. p O limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica é conhecido para células solares inorgânicas. Ao modificar a teoria das células solares inorgânicas para levar em consideração as diferenças nos mecanismos de produção de cargas após a absorção de luz, um limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas foi calculado. Os resultados devem servir como guias para melhorar a eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas. Os resultados serão publicados em breve na versão online do
Cartas de Física Aplicada , um jornal do American Institute of Physics.
p As células solares orgânicas são leves, afinar, e macio devido às características dos materiais orgânicos. Eles representam uma nova geração de células solares capazes de gerar energia em locais onde antes era difícil instalar células solares. Embora os materiais sejam geralmente baratos, melhorar a eficiência e durabilidade da conversão fotoelétrica tem sido tecnicamente difícil. Contudo, nos últimos anos, a eficiência da conversão fotoelétrica melhorou rapidamente, com eficiência de conversão superior a 10%. A eficiência é tão alta quanto a das células solares de silício amorfo. O rápido aumento da eficiência de conversão fotoelétrica despertou interesse em quanto a eficiência de conversão de células solares orgânicas pode ser melhorada. Em 1961, Shockley e Queisser mostraram que o limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica para células solares compreendendo semicondutores inorgânicos era de aproximadamente 30%. Como a eficiência real dessas células solares está agora se aproximando desse valor, Os esforços recentes de pesquisa e desenvolvimento de células solares inorgânicas estão se concentrando na melhoria da eficiência por meio da introdução de estruturas como células solares de multijunção e células solares de concentração que não foram consideradas na teoria de Shockley e Queisser. Enquanto isso, a eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas aumentou rapidamente para o nível em que agora é desejável calcular um limite de eficiência, como Shockley e Queisser fizeram com as células solares inorgânicas.
p Figura 1:Diagrama esquemático do mecanismo de separação de carga em uma célula solar orgânica:A luz geralmente é absorvida por uma molécula orgânica (doadora) que tende a formar um íon positivo. Um elétron no doador forma um exciton pela absorção de luz. Subseqüentemente, ocorre separação de carga. Como resultado, o doador se torna um íon positivo e o aceitador se torna um íon negativo. Nesse processo, o elétron perde o excesso de energia necessária para a separação de carga (ΔE DA )
p Pesquisadores AIST de vários campos, particularmente do Centro de Pesquisa para Tecnologias Fotovoltaicas, tem conduzido pesquisa e desenvolvimento interdisciplinar para melhorar a eficiência e durabilidade das células solares orgânicas; esses pesquisadores são das áreas de Meio Ambiente e Energia, Metrologia e Ciência da Medição, e Nanotecnologia, Materiais e fabricação. O Comitê de Estudo do Limite de Células Solares Orgânicas, iniciada pelo líder Yoshida e composta por pesquisadores AIST de vários campos, conduziram este estudo sobre o limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas.
p A eficiência de conversão fotoelétrica de uma célula solar é limitada por fatores como o gap do semicondutor, dissipação como calor, e recombinação de carga elétrica. A luz com energia menor que o gap não é absorvida e não contribui para a geração de eletricidade. A luz com energia mais alta do que a lacuna da banda torna-se calor e se dissipa, causando um declínio na tensão. Se as cargas que foram geradas pela luz forem perdidas por meio de recombinação no momento em que atingir os eletrodos, a corrente elétrica é diminuída. Todos esses fatores diminuem a energia elétrica da célula solar. Levando esses fatores em consideração, um limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica de células solares inorgânicas foi mostrado em 1961 por Shockley e Queisser (
J. Appl. Phys . vol. 32, p.510 [1961]).
p Figura 2:Relação entre o limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica e o valor mínimo de energia luminosa que pode ser absorvida (borda de absorção óptica) por uma célula solar orgânica multijunção quando o excesso de energia necessário para a separação de carga é de 0,4 eV. Supõe-se que duas células solares com uma diferença de energia de borda óptica de 0,4 eV estão conectadas em série. A linha vermelha representa o limite teórico convencional de células solares inorgânicas de junção única, a linha azul representa o limite teórico de células solares orgânicas de junção única, e a linha preta representa o limite teórico de células solares orgânicas de multijunção.
p O limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica foi calculado com base em semicondutores inorgânicos e considerado inválido para células solares orgânicas. Em substâncias orgânicas, A atração coulômbica entre as cargas positivas e negativas é forte e produz pares ligados chamados excitons após a absorção da luz. A energia de ligação coulômbica dos excitons em substâncias orgânicas é estimada em pelo menos 10 vezes maior do que a energia térmica à temperatura ambiente. Como a separação de cargas de excitons em uma única substância orgânica é insuficiente, uma célula solar orgânica compreende dois tipos de substâncias:uma substância orgânica que tende a formar íons positivos e uma substância orgânica que tende a formar íons negativos. Na interface entre essas substâncias, as cargas dos excitons são separadas. A presente pesquisa teve como foco a presença do excesso de energia necessária para a separação de cargas em células solares orgânicas. O método da teoria de Shockley e Queisser mostra que quando o excesso de energia é levado em consideração, a taxa de recombinação de carga aumenta, resultando em mudanças de tensão e corrente. Usando a interação de Coulomb em que 1 nm é a distância entre as cargas positivas e negativas ligadas e 3,5 é o valor geral da constante dielétrica em substâncias orgânicas, o excesso de energia necessário para a separação de carga é calculado em 0,3 a 0,4 eV. Porque existem outras interações, este valor é considerado o valor mínimo. Embora aproximadamente estimado, é quase igual ao valor da energia excedente mínima fornecido em relatórios anteriores. Quando o limite teórico da eficiência de conversão fotoelétrica foi calculado usando 0,4 eV como o excesso de energia necessária para a separação de carga, foi obtido o valor máximo de 21%. O comprimento de onda da luz absorvida no qual uma célula solar orgânica demonstra a maior eficiência também foi determinado como 1,5 eV (comprimento de onda de 827 nm) por cálculos teóricos, e fornece um guia para selecionar uma molécula orgânica que absorve luz (principalmente doador).
p O limite da eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas de junção única foi teoricamente calculado em 21% usando 0,4 eV como o excesso de energia necessário para a separação de carga. Este valor limite de 21% é maior do que a eficiência atual de 10% a 12%, e sugere que melhorias adicionais podem ser esperadas no futuro como resultado da seleção de materiais e otimização da estrutura. Os pesquisadores pretendem descobrir os fatores para a diferença entre o limite teórico e a eficiência real, e expandir os esforços de pesquisa e desenvolvimento para identificar e resolver problemas para aumentar a eficiência.
