Badania dowodzą, że obrazowanie trójwymiarowe zwiększa wydajność ogniw słonecznych
Niemieccy i holenderscy naukowcy stworzyli pierwsze trójwymiarowe obrazy struktur wnętrza polimerowego ogniwa słonecznego w skali nano. Opisane w czasopiśmie Nature Materials badania doprowadziły do odkrycia nieznanych dotąd faktów na temat struktury ogniw słonecznych i mogą przyczynić się do znacznego postępu prac badawczych nad zwiększeniem ich wydajności. Polimerowe ogniwa słoneczne wykonane są ze sztucznego materiału i charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami, których wykorzystanie może zaowocować uzyskaniem ogniw wydajniejszych oraz tańszych od tradycyjnych krzemowych ogniw słonecznych. Dotychczas wydajność polimerowych ogniw słonecznych w zakresie przechwytywania światła i przetwarzania go w energię nie była zbyt wysoka. Tradycyjne ogniwa słoneczne budowane są przy użyciu wysoko oczyszczonego kryształu krzemowego podobnego do tego, jaki wykorzystywany jest w produkcji układów scalonych. Wysokie koszty krzemowych ogniw słonecznych oraz skomplikowany proces produkcji to główne czynniki wpływające na rozwój alternatywnej technologii fotowoltaicznej. Polimerowe ogniwa słoneczne nazywane "ogniwami słonecznymi trzeciej generacji" są lekkie, tanie, elastyczne i mogą być modyfikowane na poziomie molekularnym. Do niedawna trudno było uzyskać szczegółową wizualizację struktury polimerowych ogniw słonecznych w skali nano. Udało się to naukowcom z Instytutu Stochastycznego w Ulm w Niemczech przy wykorzystaniu metody elektronowej tomografii trójwymiarowej (3DET). 3DET jest popularnym narzędziem służącym do pomiaru struktury elementów komórek w skali nano. Przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego badacze z Instytutu Stochastycznego w Ulm stworzyli wizualizację sposobu zwiększenia wydajności konwersji energii polimerowych ogniw słonecznych poprzez zmianę związków chemicznych używanych w ich produkcji. Hybrydowe ogniwa słoneczne są produkowane z dwóch odrębnych tworzyw - polimeru oraz tlenku metalu. Gdy światło słoneczne świeci na tak przygotowane ogniwo słoneczne, w miejscu zetknięcia się dwóch tworzyw wytwarzane są ładunki elektryczne. Ściśle określony związek pomiędzy polimerem a tlenkiem metalu warunkuje wydajność ogniwa słonecznego. Jeśli obydwa tworzywa posiadają mocne wiązania, to budowa komórki jest bardzo gęsta, co oznacza więcej przeszkód do pokonania i mniejszą wydajność. Stworzenie ogniwa o luźniejszej budowie miałoby na celu zredukowanie liczby przeszkód na drodze przepływu energii do miejsca jej przechowywania. Umożliwiłoby to opracowanie ogniw słonecznych o większej wydajności energetycznej. Holenderscy badacze stworzyli ogniwo o takiej budowie, używając prekursorskiego związku chemicznego łączącego się z polimerem. W późniejszym etapie zostaje on przekształcony w tlenek metalu. Użycie wizualizacji trójwymiarowej pokazało znaczenie łączenia oraz morfologii ogniw słonecznych. Umożliwiło to badaczom spójny pomiar ilościowej korelacji pomiędzy wydajnością ogniwa słonecznego i budową ogniw słonecznych zawierających różne struktury polimeryczne. W raporcie uznano, że wytworzone w wyniku eksperymentu polimerowe ogniwa słoneczne były jednymi z najbardziej wydajnych ogniw trzeciej generacji. Jednak ich słabą stroną jest w dalszym ciągu niska sprawność konwersji wynosząca 2%. Dla porównania, w ogniwach pierwszej generacji sięga ona często poziomu 30%. Aby wcielić w życie wizję rozwinięcia nowej technologii z użyciem ogniw trzeciej generacji potrzebne jest prowadzenie dalszych badań nad polimerami, tlenkami metali oraz ich morfologią w polimerowych ogniwach słonecznych. Czynnikiem, który może zdecydowanie przyspieszyć postęp w tej dziedzinie, jest wykorzystywanie trójwymiarowej wizualizacji nanostruktur.
Kraje
Niemcy, Niderlandy