Gli scienziati dei materiali della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hanno raggiunto un nuovo record nelle prestazioni di materiali organici, non a base di fullerene, celle solari a singola giunzione. Utilizzando una serie di ottimizzazioni complesse, hanno raggiunto un'efficienza di conversione di potenza certificata del 12,25 percento su una superficie di un centimetro quadrato. Questa superficie standardizzata è la fase preliminare per la fabbricazione del prototipo. I risultati, realizzato in collaborazione con i partner della South China University of Technology (SCUT), ora sono stati pubblicati in Energia della natura .

I sistemi fotovoltaici organici hanno subito un rapido sviluppo negli ultimi anni. Nella maggior parte dei casi, le celle solari organiche sono costituite da due strati di semiconduttori:uno funge da donatore fornendo gli elettroni, e il secondo funge da accettore o conduttore di elettroni. A differenza del silicio convenzionalmente utilizzato, che deve essere prelevato da un fuso o precipitato in sistemi sotto vuoto, gli strati polimerici in questo sistema possono essere depositati da una soluzione direttamente su un film di supporto. Da una parte, questo significa costi di produzione relativamente bassi, e dall'altro, questi moduli flessibili possono essere utilizzati più facilmente delle celle solari al silicio negli spazi urbani. Per molto tempo, fullereni, che sono nanoparticelle a base di carbonio, erano considerati accettori ideali, ma le perdite intrinseche dei compositi a base di fullerene limitano ancora fortemente la loro potenziale efficienza. Il lavoro svolto alla FAU ha quindi portato a un cambio di paradigma. "Con i nostri partner in Cina, abbiamo scoperto una nuova molecola organica che assorbe più luce dei fullereni e che è anche molto resistente, " afferma il Prof. Dr. Christoph Brabec, Cattedra di Scienza dei Materiali (Materiali in Elettronica e Tecnologia Energetica) alla FAU.

Standardizzazione complessa

I significativi miglioramenti nelle prestazioni e nella durata significano che i fotovoltaici stampati ibridi organici stanno diventando interessanti per l'uso commerciale. Però, per sviluppare prototipi pratici, la tecnologia deve essere trasferita dalle dimensioni di laboratorio di pochi millimetri quadrati alla dimensione standardizzata di un centimetro quadrato.

"Perdite significative si verificano spesso durante il ridimensionamento, "dice il dottor Ning Li, uno scienziato dei materiali presso la cattedra del Prof. Brabec. Durante un progetto finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG), Ning Li e i suoi colleghi di SCUT a Guangzou sono stati in grado di ridurre significativamente queste perdite. In un processo complesso, hanno regolato l'assorbimento della luce, livelli energetici e microstrutture dei semiconduttori organici. L'obiettivo principale di questa ottimizzazione era la compatibilità tra donatore e accettore, e l'equilibrio tra densità di corrente di cortocircuito e tensione a circuito aperto, che sono prerequisiti importanti per un'elevata produzione di energia elettrica.

Efficienza record certificata

"Penso che il modo migliore per descrivere il nostro lavoro sia immaginare una scatola di mattoncini Lego, " dice Li. "I nostri partner in Cina hanno inserito e adattato singoli gruppi molecolari nella struttura polimerica, e ciascuno di questi gruppi influenza una caratteristica speciale che è importante per il funzionamento delle celle solari". un centimetro quadrato, dove l'accettore non è costituito da fullereni. È anche interessante notare che i ricercatori sono riusciti a mantenere le perdite di scala a livelli così bassi che il valore più alto in laboratorio su una piccola superficie era solo marginalmente inferiore al 13%. Allo stesso tempo, sono stati in grado di dimostrare una stabilità rilevante per la produzione in condizioni simulate come la temperatura e la luce solare.

Il passaggio successivo prevede il ridimensionamento del modello in base alle dimensioni del modulo presso la Solar Factory of the Future presso l'Energie Campus Nürnberg (EnCN) prima che inizi lo sviluppo di prototipi pratici.