Benchmarks for bedre at fange solen

Simuleringer afslører effektivitetsmål og designregler for at maksimere omdannelsen af ​​lys til elektricitet ved hjælp af organiske solceller.

Organiske solceller kan snart konkurrere med traditionelle siliciumbaserede fotovoltaiske teknologier med hensyn til konverteringseffektivitet. Et team fra KAUST Solar Center har udviklet en beregningsmetode, der giver praktiske præstationsmål og nyttige regler til at hjælpe med at designe og udvikle materialesystemer til optimale organiske solceller.

De fleste solpaneler er afhængige af uorganiske halvledere til at høste og omdanne sollys til elektricitet. Organiske solcellematerialer, imidlertid, har vist sig som letvægts, billige alternativer. Disse materialer er lette at justere og behandle i store skalaer, hvilket gør dem tiltalende til industriel produktion og kommercialisering.

State-of-the-art organiske solceller er afhængige af bulk heterojunctions, som kombinerer lysfølsomme elektrondonorer og acceptormaterialer til at danne et aktivt lag. Eksponering for sollys skaber en ophidset tilstand, der genererer elektronpar og positivt ladede huller, som er ansvarlige for elektrisk strøm. Disse ladebærere skal holdes adskilt, som er afhængig af elektrondonor- og acceptormaterialerne.

Fulleren-baserede acceptormaterialer har givet organiske solceller med uovertruffen konverteringseffektivitet i næsten to årtier. Alligevel har disse materialer flere ulemper, såsom højspændingstab og dårlig absorption af solspektret, der har begrænset effektiviteten til 11 procent. I mellemtiden ikke-fulleren-alternativer har for nylig overgået alle eksisterende fulleren-baserede celler, imidlertid, en mangel på forståelse af de elementer, der styrer disse cellers konverteringseffektivitet, har begrænset yderligere forbedring af celleydelsen.

Thomas Anthopoulos og kolleger brugte computersimuleringer til at vurdere indflydelsen af ​​flere nøgleparametre, inklusive absorption og tykkelse af det aktive lag, ladningsbærermobilitet og ladningsrekombinationshastighed, om ydeevnen af ​​ikke-fulleren organiske solceller.

Postdoc Yuliar Firdaus forklarer, at simuleringerne eksplicit behandler effekten af ​​disse parametre. Derfor, den beregnede celleeffektivitetsgrænse svarer til den effektivitet, som ikke-fulleren-baserede celler realistisk kan opnå med fortsat materialeforbedring.

Forskerne fandt ud af, at ikke-fulleren-baserede celler kunne realisere effektiviteter på over 18 procent, selv med den let opnåelige ladningsmobilitet i eksisterende materialesystemer. Effektiviteter kan endda overstige 20 procent med høj og afbalanceret elektron- og hulmobilitet forbundet med lave rekombinationshastighedskonstanter. "Jeg er overbevist om, at de ikke-fullerene-baserede celler snart vil nå disse beregnede effektivitetsgrænser, " siger Firdaus.

"Vi arbejder i øjeblikket på forskellige fronter, såsom udvikling af nye grænsefladelag og dopantformuleringer, samtidig med at det samme primære mål opretholdes:at skubbe effektiviteten af ​​organiske solceller tættere på de praktiske grænser identificeret i vores undersøgelse, " siger Firdaus.