Striscia solare OPV. Credito:Cui et al.
Celle fotovoltaiche organiche (OPV), una tecnologia di celle solari di terza generazione in grado di convertire l'energia solare in elettricità, sono risultati più efficienti delle celle al silicio con illuminazione a LED per interni a bassa intensità luminosa. Queste celle hanno anche mostrato un grande potenziale per l'alimentazione a basso consumo, elettronica fuori rete in ambienti interni.
Nonostante il loro enorme potenziale, l'efficienza di conversione di potenza delle celle OPV è attualmente limitata da perdite sostanziali nella loro tensione a circuito aperto. Inoltre, studi precedenti suggeriscono che quando vengono utilizzati per l'illuminazione di interni, il loro spettro di assorbimento è tutt'altro che ottimale.
Nel tentativo di superare questi limiti, un team di ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze in Cina e dell'Università di Linköping in Svezia ha recentemente progettato un accettore di non fullereni che potrebbe consentire celle fotovoltaiche organiche ad alte prestazioni per applicazioni interne. Questo nuovo accettore, presentato in un articolo pubblicato in Energia della natura , può essere miscelato con un donatore di polimero per ottenere uno strato fotoattivo con uno spettro di assorbimento che corrisponde a quello delle sorgenti luminose interne.
Lo strato attivo che converte l'energia luminosa in energia elettrica nelle celle solari organiche, come OPV, è costituito da una fine miscela di due molecole, che sono indicati come il donatore e l'accettore. Queste molecole possono essenzialmente essere sintonizzate per assorbire tipi di luce con diverse lunghezze d'onda.
"In questo lavoro, presentiamo una combinazione donatore/accettore sintonizzata per assorbire la luce visibile, "Jonas Bergqvist, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Il donatore e l'accettore sono sintonizzati per fornire anche un'alta tensione di 1,24 V sotto l'illuminazione solare".
Bergqvist e i suoi colleghi hanno combinato l'accettore che hanno sviluppato, soprannominato IO-4Cl, con un donatore di polimeri noto come PBDB-TF. Combinando queste due molecole, hanno ottenuto uno strato fotoattivo con uno spettro di assorbimento allineato a quello delle sorgenti luminose interne, che lo rende ideale per applicazioni indoor.
"Molti accettori ad alte prestazioni per il fotovoltaico organico hanno avuto un basso bandgap con inizio di assorbimento di ~ 800 nm, " Bergqvist ha detto. "In questo lavoro, abbiamo modificato l'accettore ITIC per aumentare il bandgap e in questo modo abbinare l'assorbimento del materiale con lo spettro di illuminazione interna (corrispondente alla luce visibile 400-700 nm)."
L'ampia banda proibita osservata nel materiale ideato dai ricercatori si traduce in un voltaggio più elevato, consentendo prestazioni energetiche più elevate negli ambienti interni. I ricercatori hanno valutato le prestazioni del loro accettore in situazioni in cui l'unica illuminazione era una luce LED a bassa intensità, simulando condizioni tipiche in una varietà di spazi interni, compresi i soggiorni, biblioteche e centri commerciali.
In questi test, l'accettore che hanno sviluppato ha consentito un'efficienza di conversione della potenza fino al 26,1 percento, usando un 1 cm 2 dispositivo. Quando Bergqvist e i suoi colleghi hanno testato più grandi (cioè 4 cm 2 ) dispositivi alimentati dal loro accettore, hanno raggiunto una notevole efficienza di conversione della potenza del 23,9 percento.
"La digitalizzazione della nostra società sta dilagando e l'Internet of Things e i dispositivi intelligenti sono un mercato in forte crescita, " ha detto Bergqvist. "Molti di questi dispositivi consumano basse quantità di energia e dispositivi efficienti per la raccolta dell'energia della luce possono aiutare ad alimentarli. Gli OPV ad alte prestazioni combinati con la stampa e la patinatura della produzione roll to roll mostrano un grande potenziale per alimentare le cose intelligenti connesse".
L'ampio divario, l'accettore di non fullereni sviluppato da Bergqvist e dai suoi colleghi potrebbe finalmente consentire prestazioni più elevate nelle celle fotovoltaiche organiche all'interno di ambienti interni. Ciò potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di una tecnologia delle celle solari più avanzata, che non si limita alle applicazioni all'aperto.
"Possiamo facilmente sintonizzare lo spettro di assorbimento di questi materiali organici, in modo che possiamo massimizzare l'efficienza per la conversione della luce interna, " Feng Gao, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a TechXplore. "Questo non è possibile per le celle solari al silicio commerciali. Per questo motivo, Credo davvero che le celle solari organiche forniscano un candidato unico e promettente per applicazioni indoor come l'alimentazione dell'Internet delle cose".
Negli anni a venire, il nuovo accettore per le celle OPV sviluppato da questo team di ricercatori potrebbe essere utilizzato per creare dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico. Nel loro lavoro futuro, Bergqvist, Gao e i loro colleghi hanno in programma di continuare a sviluppare l'accettore insieme a Jianhou Hou dell'Accademia cinese delle scienze, ricercando nuovi modi per migliorarne le prestazioni.
Ad esempio, l'aumento della fotocorrente potrebbe portare ad un ulteriore aumento dell'efficienza di conversione di potenza. I calcoli effettuati dai ricercatori suggeriscono che teoricamente potrebbe essere possibile spingere la sua efficienza di conversione di potenza oltre il 40%.
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