Zajrzenie do wnętrza organicznych ogniw słonecznych pomogłoby zwiększyć ich wydajność
Energia słoneczna stanowi obecnie mniej niż 2% energii elektrycznej wytwarzanej na całym świecie, ale może w znacznym stopniu przyczynić się do zrównoważonego rozwoju. Osiągnięcie efektu skali wymaga wdrożenia jej na dużym obszarze. „Potrzebujemy kilku tysięcy kilometrów kwadratowych, aby wpłynąć na światowe dostawy energii, dlatego zdolność do szybkiego skalowania przy niskich kosztach ma kluczowe znaczenie”, mówi profesor Moritz Riede, główny badacz OSC Go i profesor nadzwyczajny miękkich nanomateriałów funkcjonalnych w Oxfordzie. „Najlepiej, gdyby można w niedrogi i szybki sposób pokrywać ogniwami słonecznymi kilometry kwadratowe”. Większość dostępnych na rynku systemów solarnych oparta jest na nieorganicznych półprzewodnikach krzemowych. Fotowoltaika organiczna na bazie węgla ma z pewnością wiele zalet – ogniwa takie są lekkie i elastyczne, mogą być dostępne w różnych kolorach i są produkowane tanio, przy zastosowaniu procesów niskotemperaturowych. Niestety, obecnie są one również znacznie mniej wydajne, jeżeli chodzi o przetwarzanie światła słonecznego w energię elektryczną, niż konwencjonalne systemy na bazie krzemu. Zespół OSC Go poświęcił ostatnie cztery lata, próbując odpowiedzieć na kilka podstawowych pytań dotyczących tego, jak zbudowane są organiczne ogniwa słoneczne (OSC), w celu poprawy ich wydajności. Obserwacja osadzania Głównym przedmiotem badań były relacje struktura-własności, ponieważ rozmieszczenie cząsteczek w organicznym ogniwie słonecznym może mieć duży wpływ na jego wydajność. Zespół opracował sposoby wykorzystania światła o różnych długościach fal – od rentgenowskich do bliskiej podczerwieni – w celu zbadania, jak cząsteczki układają się w cienkich warstwach. „Zazwyczaj bada się ten aspekt, kiedy ogniwo jest w pełni uformowane, po zakończeniu procesu, ale możemy obserwować cząsteczki już podczas procesu osadzania”, mówi prof. Riede, „więc jesteśmy w stanie zobaczyć, jak układają się cząsteczki i co możemy zrobić, aby manipulować ich rozmieszczeniem”. Używając Fullerenu C60, materiału często wykorzystywanego do produkcji OSC, zespół zaobserwował tworzenie się defektów w tych cienkich warstwach, a nawet udało mu się wpływać na rezultat. „Zaobserwowaliśmy defekty w tworzeniu stosów C w określonym kierunku molekularnym”, mówi Prof. Riede. „W ten sposób otrzymaliśmy ważny punkt danych na poziomie strukturalnym, ułatwiający interpretowanie działania takich urządzeń”. Doskonałe wzorce do naśladowania W organicznym ogniwie słonecznym światło słoneczne jest pochłaniane w warstwach fotoaktywnych, składających się zazwyczaj z mieszanki dwóch materiałów – elektronów będących donorami i cząsteczek akceptorowych – gdzie jest przetwarzane w energię elektryczną. Badacze OSC Go poświęcili czas na ocenę działania ogniw słonecznych z rozcieńczonymi heterozłączami – tych, w których zawartość donorów wynosi 5% lub mniej. „Te urządzenia okazały się działać zaskakująco dobrze”, mówi prof. Riede, „więc zaczęliśmy szukaliśmy w czystych komórkach C60, aby zobaczyć, jak układają się cząsteczki oraz jak się układają i działają w obecności innych cząsteczek. Urządzenia te są doskonałymi systemami modelowymi i staraliśmy się połączyć wyniki mikrostrukturalne z fotofizycznymi”. Trzecim obszarem badań był wpływ zmian mikrostruktury na wydajność urządzeń. We współpracy z firmą chemiczną Merck zespół badał, co dzieje się, gdy warstwa OSC jest narażona na działanie wysokich temperatur lub promieni słonecznych przez długi czas, co będzie miało miejsce w trakcie eksploatacji. „Zmierzyliśmy zmiany w mikrostrukturze za pomocą promieni rentgenowskich i innych metod i byliśmy w stanie powiązać te zmiany ze zmianami w wynikach OSC”, mówi prof. Riede, „więc pozwala nam to szukać sposobów na zahamowanie tych zmian”. Prof. Riede jest zdania, że lepsze zrozumienie tego, co dzieje się w nanoskali, będzie bardzo przydatne przy wyborze materiałów, które mają być użyte do produkcji wydajnych OSC. „Istnieje mnóstwo materiałów, których można użyć, a dzięki sprytnej konstrukcji chemicznej i dobrym warunkom produkcji można je udoskonalić i poprawić ich właściwości”, mówi. „Ale aby to zrobić, trzeba również zrozumieć podstawy”.
Słowa kluczowe
OSC Go, organiczne ogniwa słoneczne, organiczne ogniwa fotowoltaiczne, energia słoneczna, Fulleren C60, mikrostruktura
