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Nov 18, 2023

Estudo mostra por que as células solares orgânicas estão se degradando tão rapidamente

Cientistas da Universidade de Cambridge revelaram agora uma importante razão pela qual

Cientistas da Universidade de Cambridge revelaram agora uma importante razão pela qual as células solares orgânicas se degradam rapidamente em operação externa. Células solares orgânicas são uma grande promessa para aplicações de energia limpa. No entanto, os módulos fotovoltaicos feitos de semicondutores orgânicos não mantêm sua eficiência por tempo suficiente sob a luz solar para aplicações no mundo real.

O relatório foi publicado na revista Joule.

A nova visão impulsionará o design de materiais mais estáveis ​​para fotovoltaicos orgânicos baseados em semicondutores, permitindo assim a geração de eletricidade barata e renovável.

Devido às recentes melhorias na eficiência com que as células solares feitas de semicondutores orgânicos (à base de carbono) podem converter luz solar em eletricidade, melhorar a estabilidade a longo prazo desses dispositivos fotovoltaicos está se tornando um tópico cada vez mais importante.

As aplicações da tecnologia no mundo real exigem que a eficiência do dispositivo fotovoltaico seja mantida por muitos anos. Para resolver esse problema-chave, os pesquisadores estudaram os mecanismos de degradação dos dois componentes usados ​​na camada de absorção de luz das células solares orgânicas: os materiais 'doadores de elétrons' e 'aceitadores de elétrons'. Esses dois componentes são necessários para dividir o par elétron-buraco formado após a absorção de um fóton nos elétrons livres e buracos que constituem a corrente elétrica.

A imagem mostra a progressão dos eventos à medida que uma célula solar orgânica se degrada pela exposição. A pesquisa mostra qual problema a equipe descobriu e como o design pode ser melhorado. Crédito da imagem: Universidade de Cambridge. Para obter mais informações, clique no artigo do relatório de pesquisa publicado na Joule. Ao postar, o artigo é de acesso aberto, sem acesso pago.

Neste novo estudo, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, considerou pela primeira vez as vias de degradação dos materiais doador e receptor de elétrons. A investigação detalhada do material doador de elétrons diferencia o trabalho de pesquisa atual dos estudos anteriores e fornece novos insights importantes para o campo.

Especificamente, a identificação de um processo de desativação ultrarrápido exclusivo do material doador de elétrons não foi observada antes e fornece um novo ângulo para considerar a degradação do material em células solares orgânicas.

Para entender como esses materiais se degradam, os pesquisadores de Cavendish trabalharam como parte de uma equipe internacional com cientistas do Reino Unido, Bélgica e Itália. Juntos, eles combinaram estudos de estabilidade de dispositivos fotovoltaicos, em que a célula solar operacional está sujeita a luz intensa que se aproxima da luz solar, com espectroscopia a laser ultrarrápida realizada em Cambridge.

Por meio dessa técnica a laser, eles conseguiram identificar um novo mecanismo de degradação no material doador de elétrons envolvendo torções na cadeia polimérica. Como resultado, quando o polímero retorcido absorve um fóton, ele passa por um caminho de desativação extremamente rápido em escalas de tempo de femtossegundos (um milionésimo bilionésimo de segundo). Esse processo indesejável é rápido o suficiente para superar a geração de elétrons livres e buracos de um fóton, que os cientistas conseguiram correlacionar com a eficiência reduzida da célula solar orgânica depois de ter sido exposta à luz solar simulada.

O Dr. Alex Gillett, principal autor do artigo, comentou: "Foi interessante descobrir que algo aparentemente tão pequeno quanto a torção de uma cadeia de polímero poderia ter um efeito tão grande na eficiência da célula solar. No futuro, planejamos basear-se em nossas descobertas, colaborando com grupos de química para projetar novos materiais doadores de elétrons com estruturas poliméricas mais rígidas. Esperamos que isso reduza a propensão do polímero a torcer e, assim, melhorar a estabilidade do dispositivo de célula solar orgânica."

Devido às suas propriedades únicas, as células solares orgânicas podem ser usadas em uma ampla gama de aplicações para as quais as fotovoltaicas tradicionais de silício não são adequadas. Isso pode incluir janelas de geração de eletricidade para estufas que transmitem as cores de luz necessárias para a fotossíntese, ou mesmo painéis fotovoltaicos que podem ser enrolados para fácil transporte e geração móvel de eletricidade. Assim, ao identificar o mecanismo de degradação que precisa ser resolvido, a pesquisa atual aproxima diretamente a próxima geração de materiais e aplicações fotovoltaicas da realidade.