Jak organiczne półprzewodniki rewolucjonizują energetykę słoneczną

Naukowcy ulepszyli pozyskiwanie energii słonecznej, opracowując organiczne półprzewodniki, które stanowią tańszą i łatwiejszą do dostosowania alternatywę dla krzemu. Niedawny przełom pokazuje, że materiały te mogą osiągnąć wyższą wydajność dzięki unikalnemu mechanizmowi, w którym elektrony uzyskują energię, torując drogę dla bardziej efektywnych ogniw słonecznych i technologii produkcji paliw.

Energia słoneczna odgrywa kluczową rolę w przejściu do przyszłości czystej energii. Zazwyczaj do pozyskiwania energii słonecznej wykorzystuje się krzem, powszechny półprzewodnik spotykany w elektronice codziennego użytku. Jednak krzemowe panele słoneczne mają ograniczenia — są kosztowne i trudne w montażu na zakrzywionych powierzchniach.

Aby rozwiązać te niedociągnięcia, naukowcy opracowali alternatywne materiały do ​​pozyskiwania energii słonecznej. Do najbardziej obiecujących z nich zaliczają się półprzewodniki „organiczne”, półprzewodniki na bazie węgla, które występują powszechnie na Ziemi, są tańsze i przyjazne dla środowiska.

„Mogą potencjalnie obniżyć koszty produkcji paneli słonecznych, ponieważ materiały te można powlekać na dowolnych powierzchniach metodami opartymi na roztworach – tak jak malujemy ścianę” – powiedział Wai-Lun Chan, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii na uniwersytecie z Kansas. „Te materiały organiczne można dostroić tak, aby pochłaniały światło o wybranych długościach fal, co można wykorzystać do tworzenia przezroczystych paneli słonecznych lub paneli o różnych kolorach. Te cechy sprawiają, że organiczne panele słoneczne szczególnie nadają się do stosowania w zielonych i zrównoważonych budynkach nowej generacji.

Chociaż półprzewodniki organiczne były już stosowane w panelach wyświetlaczy elektroniki użytkowej, takich jak telefony komórkowe, telewizory i zestawy słuchawkowe do rzeczywistości wirtualnej, nie były one jeszcze szeroko stosowane w komercyjnych panelach słonecznych. Wadą organicznych ogniw słonecznych jest ich niska wydajność konwersji światła na prąd, około 12% w porównaniu z monokrystalicznymi krzemowymi ogniwami słonecznymi, które działają ze sprawnością na poziomie 25%.

Według Chana elektrony w półprzewodnikach organicznych zazwyczaj wiążą się ze swoimi dodatnimi odpowiednikami, zwanymi „dziurami”. W ten sposób światło absorbowane przez półprzewodniki organiczne często wytwarza elektrycznie obojętne kwazicząstki zwane „ekscytonami”.

Jednak niedawny rozwój nowej klasy półprzewodników organicznych, znanych jako akceptory niefulerenowe (NFA), zmienił ten paradygmat. Organiczne ogniwa słoneczne wykonane z NFA mogą osiągnąć sprawność bliższą 20%.

Pomimo ich wyjątkowych właściwości, dla społeczności naukowej nie jest jasne, dlaczego ta nowa klasa NFA znacznie przewyższa inne półprzewodniki organiczne.

W przełomowym badaniu opublikowanym w Advanced Materials Chan i jego zespół, w skład którego wchodzą doktoranci Kushal Rijal (główny autor), Neno Fuller i Fatimah Rudayni z Wydziału Fizyki i Astronomii oraz we współpracy z Cindy Berrie, profesor chemii na ALK, odkryli mikroskopijny mechanizm, który częściowo rozwiązuje wyjątkową wydajność osiągniętą przez NFA.

Główny autor Kushal Rijal (po prawej) i Neno Fuller (po lewej) przeprowadzili pomiar TR-TPPE przy użyciu pokazanego na zdjęciu systemu spektroskopii fotoemisyjnej w ultrawysokiej próżni. Źródło: Kushal i Fuller

Kluczem do tego odkrycia były pomiary wykonane przez głównego autora Rijala przy użyciu techniki eksperymentalnej zwanej „czasowo-rozdzielczą spektroskopią fotoemisyjną dwóch fotonów” (TR-TPPE). Metoda ta umożliwiła zespołowi śledzenie energii wzbudzonych elektronów z rozdzielczością czasową poniżej pikosekundy (mniej niż bilionowa część sekundy).

„Podczas tych pomiarów Kushal [Rijal] zaobserwował, że niektóre optycznie wzbudzone elektrony w NFA mogą pozyskiwać energię z otoczenia zamiast ją tracić na rzecz środowiska” – powiedział Chan. „Ta obserwacja jest sprzeczna z intuicją, ponieważ wzbudzone elektrony zazwyczaj tracą energię do otoczenia, tak jak filiżanka gorącej kawy traci ciepło do otoczenia”.

Zespół, którego prace wspierało Biuro Podstawowych Nauk o Energii Departamentu Energii, uważa, że ​​ten niezwykły proces zachodzi w skali mikroskopowej dzięki kwantowemu zachowaniu elektronów, które pozwala wzbudzonemu elektronowi pojawiać się jednocześnie na kilku cząsteczkach. Ta kwantowa dziwność łączy się z Drugą Zasadą Termodynamiki, która głosi, że każdy proces fizyczny doprowadzi do wzrostu całkowitej entropii (często określanej jako „zaburzenie”), co spowoduje niezwykły proces przyrostu energii.

„W większości przypadków gorący obiekt przekazuje ciepło swojemu zimnemu otoczeniu, ponieważ transfer ciepła prowadzi do wzrostu całkowitej entropii” – powiedział Rijal. „Odkryliśmy jednak, że w przypadku cząsteczek organicznych ułożonych w specyficzną strukturę w nanoskali typowy kierunek przepływu ciepła zostaje odwrócony, co powoduje wzrost całkowitej entropii. Ten odwrócony przepływ ciepła umożliwia neutralnym ekscytonom uzyskanie ciepła z otoczenia i dysocjuje na parę ładunków dodatnich i ujemnych. Te darmowe ładunki mogą z kolei wytwarzać prąd elektryczny.”