Vejledninger til at øge effektiviteten af ​​organiske solceller

AIST-forskere har beregnet den teoretiske grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet af organiske solceller, som har fået opmærksomhed som en ny generation af solceller.

Den teoretiske grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet har været kendt for uorganiske solceller. Ved at modificere teorien for uorganiske solceller for at tage højde for forskellene i mekanismer til at producere ladninger efter lysabsorption, en teoretisk grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet for organiske solceller blev beregnet. Resultaterne forventes at tjene som vejledninger til at forbedre den fotoelektriske konverteringseffektivitet af organiske solceller. Resultaterne vil snart blive offentliggjort i onlineversionen af Anvendt fysik bogstaver , et tidsskrift fra American Institute of Physics.

Organiske solceller er lette, tynd, og blød på grund af organiske materialers egenskaber. De repræsenterer en ny generation af solceller, der er i stand til at generere energi på steder, hvor det tidligere var vanskeligt at installere solceller. Selvom materialerne generelt er billige, forbedring af fotoelektrisk konverteringseffektivitet og holdbarhed har været teknisk vanskelig. Imidlertid, i de seneste år, den fotoelektriske konverteringseffektivitet er hurtigt blevet forbedret, med konverteringseffektivitet på over 10 %. Effektiviteten er lige så høj som for amorfe siliciumsolceller. Den hurtige stigning i den fotoelektriske konverteringseffektivitet vakte interesse for, hvor meget konverteringseffektiviteten af ​​organiske solceller kan forbedres. I 1961, Shockley og Queisser viste, at den teoretiske grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet for solceller, der omfatter uorganiske halvledere, var ca. 30 %. Da den faktiske effektivitet af sådanne solceller nu nærmer sig denne værdi, nyere forsknings- og udviklingsindsatser for uorganiske solceller fokuserer på at forbedre effektiviteten gennem introduktionen af ​​strukturer såsom multi-junction solceller og koncentrerende solceller, som ikke blev overvejet i Shockley og Queissers teori. I mellemtiden organiske solcellers fotoelektriske konverteringseffektivitet er hurtigt steget til det niveau, hvor det nu er ønskeligt at beregne en effektivitetsgrænse, som Shockley og Queisser gjorde for uorganiske solceller.

AIST-forskere fra forskellige felter, især fra Research Center for Photovoltaic Technologies, har udført tværfaglig forskning og udvikling for at forbedre effektiviteten og holdbarheden af ​​organiske solceller; disse forskere er fra områderne miljø og energi, Metrologi og målevidenskab, og nanoteknologi, Materialer og fremstilling. Udvalget for undersøgelse af grænsen for organiske solceller, initieret af Leader Yoshida og består af AIST-forskere fra forskellige områder, udførte denne undersøgelse af den teoretiske grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet af organiske solceller.

Den fotoelektriske konverteringseffektivitet af en solcelle er begrænset af faktorer såsom halvlederens båndgab, spredning som varme, og elektrisk ladningsrekombination. Lys med energi mindre end båndgabet absorberes ikke og bidrager ikke til generering af elektricitet. Lys med energi højere end båndgabet bliver varme og spreder sig, forårsager et fald i spændingen. Hvis ladningerne, der blev genereret af lys, går tabt gennem rekombination, når det når elektroderne, den elektriske strøm mindskes. Alle disse faktorer reducerer solcellens elektriske effekt. Når man tager disse faktorer i betragtning, en teoretisk grænse for uorganiske solcellers fotoelektriske konverteringseffektivitet blev vist i 1961 af Shockley og Queisser ( J. Appl. Phys . vol. 32, s. 510 [1961]).

Den teoretiske grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet blev beregnet på basis af uorganiske halvledere og menes at være ugyldig for organiske solceller. I organiske stoffer, Coulombisk tiltrækning mellem positive og negative ladninger er stærk og producerer bundne par kaldet excitoner efter lysabsorption. Den coulombiske bindingsenergi af excitonerne i organiske stoffer vurderes til at være mindst 10 gange større end den termiske energi ved stuetemperatur. Fordi ladningsadskillelsen af ​​excitoner i et enkelt organisk stof er utilstrækkelig, en organisk solcelle består af to typer stoffer:et organisk stof, der har tendens til at danne positive ioner, og et organisk stof, der har tendens til at danne negative ioner. I grænsefladen mellem disse stoffer, excitonernes ladninger er adskilt. Den nuværende forskning fokuserede på tilstedeværelsen af ​​den overskydende energi, der kræves til ladningsadskillelse i organiske solceller. Metoden i Shockley og Queissers teori viser, at når den overskydende energi tages i betragtning, ladningshastigheden rekombination stiger, resulterer i ændringer i spænding og strøm. Ved at bruge Coulomb-interaktion, hvor 1 nm er afstanden mellem de bundne positive og negative ladninger og 3,5 er den generelle værdi af dielektricitetskonstanten i organiske stoffer, den overskydende energi, der kræves til ladningsadskillelse, er beregnet til at være 0,3 til 0,4 eV. Fordi der er andre interaktioner, denne værdi anses for at være minimumsværdien. Selvom det er groft anslået, den er næsten den samme som værdien for minimumsoverskudsenergien givet i tidligere rapporter. Når den teoretiske grænse for den fotoelektriske konverteringseffektivitet blev beregnet ved hjælp af 0,4 eV som den overskydende energi, der kræves til ladningsadskillelse, den maksimale værdi på 21 % blev opnået. Bølgelængden af ​​absorberet lys, ved hvilken en organisk solcelle viser den højeste effektivitet, er også blevet bestemt som 1,5 eV (bølgelængde på 827 nm) ved teoretiske beregninger, og det giver en guide til at vælge et organisk molekyle, der absorberer lys (hovedsageligt donor).

Grænsen for den fotoelektriske konverteringseffektivitet for organiske solceller med enkelt kryds blev teoretisk beregnet til at være 21 % ved brug af 0,4 eV som den overskydende energi, der kræves til ladningsadskillelse. Denne grænseværdi på 21 % er højere end den nuværende effektivitet på 10 % til 12 %, og det tyder på, at der kan forventes yderligere forbedringer i fremtiden som følge af materialevalg og strukturoptimering. Forskerne har til hensigt at afdække faktorerne for forskellen mellem den teoretiske grænse og den faktiske effektivitet, og udvide forsknings- og udviklingsindsatsen for at identificere og løse problemer for at øge effektiviteten.