Naukowcy z City University of Hong Kong pokazali właśnie coś, co moim zdaniem warto potraktować jako zmianę sposobu myślenia o stratach w organicznych ogniwach słonecznych. Zespół kierowany przez prof. Alexa Jena opisał w Nature sposób recyklingu spinowo-trypletowych ekscytonów w organicznej fotowoltaice, osiągając sprawność konwersji energii na poziomie 20,5%. Późniejsze eksperymenty laboratoryjne miały zresztą przekroczyć już poziom 21%.
Organiczna fotowoltaika nie chce już tylko gonić krzemu
Wynik rzędu nieco powyżej 20% nie wygląda aż tak widowiskowo, jeśli zestawimy go z tandemami perowskitowo-krzemowymi. Pisałem już o tym przy perowskitach i krzemie jako energetycznym duecie przyszłości, gdzie stawka jest zupełnie inna niż w przypadku fotowoltaiki organicznej, bo sprowadza się do tego, aby wycisnąć więcej z konstrukcji bliskich klasycznym panelom. Tutaj gra toczy się jednak o coś bardziej subtelnego. Organiczne ogniwa nie muszą przecież pokonać krzemu w jego własnej lidze, żeby mieć sens. Muszą znaleźć zastosowania, w których krzem zwyczajnie jest za ciężki, za sztywny albo zbyt trudny do zintegrowania z powierzchnią.
Czytaj też: Wpadka Orlenu? Polska produkuje paliwo przyszłości, a korzystają z niego za granicą
Właśnie dlatego próg 20% w organicznych panelach słonecznych nie jest czymś małym. W tej technologii każda dziesiąta część sprawności jest okupiona walką z procesami zachodzącymi w warstwie aktywnej w skalach czasu i przestrzeni, które trudno sobie intuicyjnie wyobrazić. Foton wpada, materiał się wzbudza, powstaje ekscyton, trzeba rozdzielić ładunki, wyciągnąć je do elektrod i zrobić to szybciej, niż natura znajdzie łatwiejszą drogę do rozproszenia energii w postaci ciepła.
Ekscytony trypletowe dostały drugą szansę
W organicznych ogniwach słonecznych niskoenergetyczne ekscytony trypletowe T1 długo były traktowane jak energetyczne pułapki. W uproszczeniu? Energia trafiała w stan, z którego trudno było ją odzyskać jako użyteczny ładunek. Zamiast dokładać się do produkcji prądu, taki stan zwykle kończył jako strata cieplna. Dla technologii, która i tak walczy o każdy procent sprawności, taki mechanizm jest jak nieszczelność w instalacji.
Czytaj też: Fotowoltaiczny paradoks. Panele słoneczne mają jednego dziwnego wroga
Zespół z CityUHK zrobił coś ciekawszego niż tylko próbę ograniczenia tej straty. Badacze wykorzystali nowy materiał akceptorowy i zaobserwowali, że w badanym układzie wolne nośniki ładunku żyją znacznie dłużej niż same ekscytony trypletowe. To wskazało, że tryplety nie muszą zawsze bezpowrotnie znikać w cieple. Mogą zostać ponownie rozdzielone na użyteczne nośniki ładunku przez międzyfazowe trypletowe stany przeniesienia ładunku.
Najprościej? Coś, co wcześniej wyglądało jak odpad energetyczny, naukowcy zaczęli traktować jak zasób do odzyskania. Kluczowe było przy tym precyzyjne ustawienie chemii materiału. Poprzez modyfikację łańcuchów bocznych i delokalizacji ekscytonu w agregatach udało się zmniejszyć lukę energetyczną między stanem singletowym i trypletowym, czyli ΔEST. Dzięki temu przejście z pułapki z powrotem do użytecznego obiegu stało się łatwiejsze. Publikacja opisuje ten mechanizm jako kontrolowanie ruchu między T1 a spinowo-trypletowym stanem przeniesienia ładunku, co pozwala odzyskiwać straty trypletowe i zwiększać liczbę ekstrahowanych fotonośników.
Przyszłość paneli słonecznych będzie polegać na zbieraniu resztek
Ten kierunek wpisuje się w szerszy trend, który coraz wyraźniej widać w fotowoltaice. Nie chodzi już tylko o wymyślenie jednego cudownego materiału, który zastąpi wszystko. Coraz częściej chodzi o odzyskiwanie energii z miejsc, które do tej pory uznawaliśmy za straty. Widać to m.in. przy nanoskalowej warstwie wykorzystującej podczerwień, gdzie cała idea sprowadza się do zawracania fotonów, które normalnie przeszłyby przez panel bez większego pożytku.
W przypadku tej nowej pracy ciekawe jest to, że nie zbieramy “uciekającego światła”, a energię uwięzioną w niekorzystnym stanie wzbudzonym. Oznacza to, że przyszłe ogniwa będą projektowane nie tylko jako absorbery światła, ale jako całe układy zarządzania energią na poziomie molekularnym. Będą więc trochę jak mikroskopijna elektrownia, w której nie wystarczy złapać paliwa. Trzeba jeszcze pilnować, żeby nic nie uciekło w całym procesie.
Czytaj też: Żel pełen energii. Nie zastąpi powerbanka, ale i tak jest przełomem
Takie podejście przypomina też szerszą walkę o elastyczność i integrację fotowoltaiki z codziennym otoczeniem. Przy np. takich oknach jako małych elektrowniach stawką jest zamiana biernych powierzchni budynków w elementy produkujące energię. Przy elastycznych perowskitach odpornych na zginanie chodzi o to, żeby cienkie ogniwa nie rozpadały się po mechanicznym obciążeniu. Organiczne panele pasują do tego świata idealnie, ale tylko pod warunkiem, że ich sprawność i stabilność przestaną być problematyczne.
Źródła: Nature, TechXplore
