Zwiększenie wydajności ogniw słonecznych poprzez dostrojenie morfologii ich warstwy aktywnej
Niskie koszty produkcji, ekologiczne procesy syntezy materiałów i elastyczność sprawiają, że OPV mają przewagę nad ich nieorganicznymi odpowiednikami. Jednak na wydajność tych ogniw wpływ ma słaba morfologia i ograniczona długość życia — dwie główne przeszkody na drodze do ich komercjalizacji. W ramach finansowanego przez UE projektu "Block copolymers for high efficient solar cells with novel structures" (CHESS), naukowcy dołączyli kopolimery blokowe do mieszanki, która tworzy warstwę aktywną OPV. Zastosowali techniki przetwarzania do wyprodukowania OPV z heterozłączem o zwiększonej stabilności z myślą o ostatecznym zastosowaniu na skalę przemysłową. Zwiększenie wydajności i wydłużenie okresu życia OPV z heterozłączem masowym powinny zwiększyć ich konkurencyjność w porównaniu z nieorganicznymi ogniwami fotowoltaicznymi. Kopolimery blokowe mają zdolność do formowania dobrze kontrolowanych nanostruktur i działania jako środek homogenizujący w odnośnych mieszankach homopolimerowych. Naukowcy wykorzystali te właściwości do stworzenia stabilnych nanomorfologii o optymalnej wielkości domeny — wymaganiach pożądanych w przypadku zastosowania OPV. Przeprowadzono zintegrowane badanie, począwszy od zaprojektowania i syntezy kopolimerów, po wprowadzenie ich do urządzeń fotowoltaicznych i oceny ich sprawności. Mówiąc dokładniej, zsyntezowano kopolimery blokowe pręt-kłębek, które obejmują półprzewodnikowy blok donora elektronów oraz odpowiednio dobrany kłębek (polimer o niskiej temperaturze zeszklenia), a następnie zmieszano je z dobrze znanymi materiałami organicznymi donorowo-adceptorowymi. Zespół scharakteryzował mieszanki przy użyciu techniki termoanalitycznej, w połączeniu z eksperymentami rozpraszania promieni rentgenowskich pod małymi i szerokimi kątami, by uzyskać ich pełne wykresy fazowe. Członkowie projektu szeroko zbadali morfologię trójskładnikowej mieszanki w nowych warstwach aktywnych ogniw słonecznych. Doszli do wniosku, że obecność kopolimerów prowadzi do formowania się zoptymalizowanej sieci ogniw z heterozłączem masowym, która stymuluje absorpcję fotonów, efektywną dysocjację ekscytonu i lepszy transport ładunku. W następstwie uzyskano maksymalną efektywność konwersji mocy, rzędu 4,5 %. Jednocześnie udało się wydłużyć okres stabilności urządzenia. Integracja urządzeń na wielką skalę powinna przyczynić się do komercjalizacji produktów projektu, przynosząc korzyści UE na poziomie wspólnotowym i zwiększyć jej konkurencyjność.
Słowa kluczowe
Fotowoltaika organiczna, ogniwo słoneczne, okres życia, kopolimer blokowy, warstwa aktywna, stabilność, środek homogenizujący, mieszanka homopolimerowa, nanomorfologia, rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego
