Nowe dane na temat podstawowych mechanizmów działania organicznych ogniw słonecznych
Będąca dziedziną elektroniki organicznej fotowoltaika organiczna, w obszarze której prowadzone są aktywne działania badawcze, musi mierzyć się z wieloma wyzwaniami, w tym małą ilością informacji na temat struktury materiałów i wynikających z niej właściwości. Prowadzone badania pomogą opracować zaawansowane materiały organiczne do budowy ulepszonych ogniw słonecznych o mniejszej masie, mniejszych kosztach wytwarzania i większej elastyczności, co otworzy nowe możliwości w zakresie elektroniki i baterii słonecznych. Obecnie dostępne metody modelowania pozwalają projektować ulepszone materiały, jednakże brak jest narzędzi obliczeniowych, które pozwoliłyby poznać długość i skalę czasową właściwe dla procesów elektronicznych zachodzących w materiałach organicznych. Aby rozwiązać ten problem, uczestnicy projektu BEST stworzyli zintegrowaną, wieloskalową platformę do modelowania, która pozwala w dokładny sposób opisać fundamentalne procesy elektroniczne w półprzewodnikach organicznych. Głównym celem projektu było zbadanie sposobów wzbudzania optycznego materiałów aktywnych, które zwykle składają się z mieszaniny fulerenowych akceptorów elektronów i polimerowych donorów elektronów, oraz mechanizmów rozprzestrzeniania się tego wzbudzenia na kolejne cząsteczki i konwersji na osobne ładunki generujące energię elektryczną. Wyniki badań dowodzą, że stany elektronów w rozpuszczalnych pochodnych fulerenów są zależne od zlokalizowanych nośników ładunku w temperaturze pokojowej utrzymywanych w stanie wysokoenergetycznym. Dzięki zwiększeniu dystansu energetycznego elektron-dziura elektronowa delokalizacja stanów wzbudzonych pomaga zmniejszyć straty energii w wyniku rekombinacji ładunków – procesu mocno ograniczającego efektywność organicznych ogniw słonecznych. Uczestnicy projektu BEST skupili się też na niepoznanych dotąd procesach typu singlet fission zachodzących w materiałach organicznych. Okazało się, że ogniwa słoneczne sensybilizowane materiałem singlet fission charakteryzują się o wiele większą wydajnością przetwarzania energii. Łącząc wyniki modelowania z pomiarami ze spektroskopii czasowo-rozdzielczej, zespół dokładnie poznał złożoną strukturę elektronową oraz właściwości kokryształów pentacen-perfluoropentacen w stanie wzbudzonym. Brak wystarczających informacji w zakresie mechanizmów domieszkowania molekularnego w półprzewodnikach organicznych jest jednym z głównych czynników ograniczających powszechność stosowania organicznych ogniw słonecznych. Naukowcy zaproponowali ogólny model badania domieszkowania molekularnego, który można całkowicie sparametryzować na podstawie obliczeń z pierwszych zasad i który dokładniej opisuje zależności między strukturą a właściwościami domieszkowanych półprzewodników. Badania teoretyczne i obliczenia przeprowadzone w ramach projektu BEST powinny pomóc zaprojektować bardziej zaawansowane materiały organiczne do budowy sprawniejszych ogniw słonecznych.
Słowa kluczowe
Organiczne ogniwa słoneczne, procesy elektroniczne, BEST, półprzewodniki organiczne, procesy singlet fission
