Od wielu lat badacze z całego świata szukają alternatywy dla krzemu jako głównego budulca ogniw fotowoltaicznych. Największą nadzieję budzą tutaj perowskity, jednak istnieją również inne koncepcje. Jedną z nich są półprzewodniki organiczne, które jednak do tej pory charakteryzowały się dość małą wydajnością w porównaniu do innych rozwiązań. Teraz może się to jednak zmienić dzięki odkryciu badaczy z Uniwersytetu Kansas.

Krzem, perowskity, organiczne półprzewodniki – z czego tworzyć fotowoltaikę?

Krzem jest wykorzystywany w ogniwach fotowoltaicznych niemalże od samego początku, jednak materiał ten tworzy wiele problemów. Przede wszystkim jest sztywny, co uniemożliwia umieszczenie modułów PV na każdej powierzchni. Poza tym ich produkcja jest relatywnie droga. Badacze szukają więc alternatyw. Aktualnie najpopularniejszą z nich są ogniwa perowskitowe, które choć nie weszły jeszcze do powszechnego użytku, dają sporą nadzieję na coraz dynamiczniejszy rozwój fotowoltaiki.

Perowskity, choć pozostają w świetle reflektorów jako najbardziej prawdopodobna alternatywa dla krzemu, nie są jedyną. Od lat naukowcy badają również tzw. organiczne półprzewodniki, czyli substancje oparte na węglu, które w pewnych warunkach przewodzą prąd. Związki te można skalibrować tak, aby pobierały światło o specyficznych długościach fal. 

– Mogą one potencjalnie zmniejszyć koszty produkcji paneli fotowoltaicznych, ponieważ istnieje możliwość pokrycia nimi dowolnej powierzchni dzięki metodom opartym na roztworze, podobnie do malowania ścian – mówi Wai-Lun Chan, jeden z autorów badania.

Gdzie leży problem? W porównaniu z krzemem czy perowskitami panele z organicznych półprzewodników mają niską wydajność. Ich zdolność przemiany światła w elektryczność wynosi około 12%. To ok. dwa razy mniej niż standardowe rozwiązania krzemowe czy wyniki perowskitów w warunkach laboratoryjnych.

Polka i jej zespół z prestiżową nagrodą. Otrzymali ją za lekkie jak śnieg panele perowskitowe

To odkrycie z pozoru przeczy logice. Jak uzyskano większą wydajność?

Niedawne odkrycie badaczy z Uniwersytetu Kansas może jednak zmienić ten stan rzeczy. Odkryli oni sposób na zwiększenie wydajności organicznych półprzewodników dzięki użyciu tzw. akceptorów niefulerenowych (ang. non-fullerene acceptors, NFA), nowego typu półprzewodników, który działa w sposób pozornie przeczący logice.

Zespół badaczy po wykorzystaniu NFA odkrył, że wzbudzone elektrony zamiast oddawać energię do otoczenia przez entropię, zyskują ją.

– Obserwacja zdaje się przeczyć zdrowemu rozsądkowi, bowiem wzbudzone elektrony najczęściej tracą energię na rzecz środowiska, podobnie jak kubek gorącej kawy oddaje swoje ciepło otoczeniu – mówi Chan w rozmowie z portalem pv-magazine.com.

To nietypowe zachowanie elektronów najpewniej jest wynikiem zachodzących w ich wnętrzu efektów kwantowych, w których efekcie cząsteczka ta może pojawić się na kilku molekułach w tym samym czasie.

– Odkryliśmy, że w molekułach organicznych zaaranżowanych w odpowiednią nanostrukturę, typowy przepływ ciepła zostaje odwrócony, aby entropia mogła wzrosnąć. Ten odwrócony przepływ ciepła sprawia, że neutralne ekscytony zyskują temperaturę ze środowiska i zostają rozbite na pary pozytywnych i negatywnych ładunków. Te z kolei wytwarzają przepływ energii elektrycznej – tłumaczy Kushal Rijal, współautor badania.

Dzięki zastosowaniu NFA wydajność organicznych półprzewodników w przetwarzaniu światła na energię wzrosła do niemalże 20%. Jest to wynik mniejszy od tych osiąganych przez krzem i perowskity, jednak odkrycie naukowców z Kansas otwiera drogę do dalszych eksperymentów i przesuwania granicy jeszcze dalej.

– Czytaj także: Proste czyszczenie paneli PV. Ten wynalazek wykorzystuje fale elektromagnetyczne

Źródło: pv-magazine.com

Fot. Canva (ecoenergiafutura, loveguli)

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.