كيفية بناء الخلايا الشمسية العضوية الفعالة

إن الخلايا الشمسية العضوية ، المصنوعة من مواد أساسها الكربون ، تقدم مزايا فريدة مقارنة بتكنولوجيات الخلايا الشمسية الأخرى. على سبيل المثال ، يمكن تصنيعها من خلال تقنيات الطباعة منخفضة التكلفة ، ويمكن جعلها شبه شفافة مع ألوان قابلة للتحديد ، والتي يمكن استخدامها معماريًا في دمج المباني. المرونة والوزن المنخفض يجعلها مثالية لتزويد أجهزة الاستشعار بالإنترنت بتطبيقات الأشياء.

أحد التحديات الرئيسية التي تواجه تطوير الخلايا الشمسية العضوية هو أنها عادة ما تكون لديها خسائر كبيرة في الطاقة.

يقول فنغ قاو ، الأستاذ المساعد في قسم الجزيئات الحيوية ، "لقد قمنا بصياغة بعض قواعد التصميم العقلانية لتقليل الفاقد في الطاقة في الخلايا الشمسية العضوية. وبعد هذه القواعد ، نقدم مجموعة من الأمثلة مع فقد الطاقة المنخفض وفعالية تحويل الطاقة العالية". الإلكترونيات العضوية في جامعة لينكوبنج.

وقد نشرت قواعد التصميم ، التي تتحدى بعض الأفكار التي سبق عقدها ، في مقالة في مجلة نيتشر للمواد .

وباستخدام قواعد التصميم هذه ، تعد الخلايا الشمسية العضوية بالحاق بركب منافسيها فيما يتعلق بكفاءة تحويل الطاقة ، التي تقيس جزء الطاقة في إشعاع الشمس الذي يتم تحويله إلى كهرباء. الحد النظري لجزء من الطاقة الشمسية التي يمكن الحصول عليها في الخلايا الشمسية هو حوالي 33 ٪. حققت التجارب المعملية مع الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون 25 ٪ في أحسن الأحوال. يعتقد الباحثون حتى الآن أن الحد الأقصى للخلايا الشمسية العضوية أقل.

"لكننا نعلم الآن أنه لا يوجد فرق - الحد النظري هو نفسه بالنسبة للخلايا الشمسية المصنعة من السيليكون أو البيروفسكايت أو البوليمرات" ، كما يقول أولي إنغناس ، أستاذ الإلكترونيات الحيوية والجزيئية ، جامعة لينكوبنج.

عندما يتم امتصاص الفوتونات من الشمس بواسطة بوليمر أشباه الموصلات في خلية شمسية ، يتم رفع الإلكترونات في المادة المانحة إلى حالة متحمس ، وتتشكل ثقوب في الحالة الأرضية التي تبقى فيها الإلكترونات جذابة. لفصل هذه الإلكترونات والثقوب المرتبطة ، يتم إضافة مادة مستقبلة. ومع ذلك ، عادة ما ينتج عن هذه المادة المتلقية فقدان طاقة إضافي ، وهي مشكلة أزعجت مجتمع الخلايا الشمسية العضوي لأكثر من عقدين.

تعرض المقالة في Nature Materials قاعدتين أساسيتين لتقليل خسائر الطاقة للخلايا الشمسية العضوية عالية الكفاءة: - تقليل توازن الطاقة بين مكونات المتبرعين والمقبلين. - تأكد من أن المكون منخفض الفجوة في المزج يحتوي على ضوء ضوئي عالٍ.

أنتج الباحثون في معاهد البحوث السبعة في الولايات المتحدة والصين وأوروبا معا حوالي 12 مادة مختلفة ، تم الإبلاغ عن بعضها سابقًا والبعض الآخر جديد تمامًا. لقد استخدموا ذلك لإثبات أن النظرية الجديدة توافق على النتائج التجريبية ، على الرغم من أنها غير متوافقة إلى حد ما مع ما كان يعتقد سابقاً.

بالإضافة إلى فنغ قاو ، فإن Artem A Bakulin من Imperial College London و Veaceslav Coropceanu من معهد جورجيا للتكنولوجيا هم أيضاً مؤلفون مقتبسون لهذه المقالة. وقد تم تمويل البحث عن طريق منح من مصادر في السويد والاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة والصين ، وتم تنفيذها في إطار المبادرة الاستراتيجية في المواد الوظيفية المتقدمة ، AFM ، في جامعة Linkoping.

المصدر: Seience Daily