Relazione tra il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari e l'energia minima della luce che può essere assorbita dalle celle solari (fronte di assorbimento ottico) quando si verifica una perdita di energia di 0,4 eV durante la separazione di carica. La linea rossa mostra il limite teorico delle celle solari inorganiche, e la linea blu mostra il nuovo limite teorico delle celle solari organiche.
I ricercatori dell'AIST hanno calcolato il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche, che hanno attirato l'attenzione come una nuova generazione di celle solari.
Il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica è noto per le celle solari inorganiche. Modificando la teoria delle celle solari inorganiche per tenere conto delle differenze nei meccanismi di produzione di cariche dopo l'assorbimento della luce, è stato calcolato un limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche. I risultati dovrebbero servire da guida per migliorare l'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche. I risultati saranno presto pubblicati nella versione online di Lettere di fisica applicata , una rivista dell'American Institute of Physics.
Le celle solari organiche sono leggere, magro, e morbido grazie alle caratteristiche dei materiali organici. Rappresentano una nuova generazione di celle solari in grado di generare energia in luoghi dove in precedenza era difficile installare celle solari. Sebbene i materiali siano generalmente poco costosi, migliorare l'efficienza e la durata della conversione fotoelettrica è stato tecnicamente difficile. Però, negli ultimi anni, l'efficienza di conversione fotoelettrica è migliorata rapidamente, con efficienza di conversione superiore al 10%. L'efficienza è pari a quella delle celle solari in silicio amorfo. Il rapido aumento dell'efficienza di conversione fotoelettrica ha suscitato interesse su quanto possa essere migliorata l'efficienza di conversione delle celle solari organiche. Nel 1961, Shockley e Queisser hanno mostrato che il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica per le celle solari comprendenti semiconduttori inorganici era di circa il 30%. Poiché l'efficienza effettiva di tali celle solari si sta avvicinando a questo valore, i recenti sforzi di ricerca e sviluppo per le celle solari inorganiche si stanno concentrando sul miglioramento dell'efficienza attraverso l'introduzione di strutture come le celle solari multigiunzione e le celle solari a concentrazione che non erano considerate nella teoria di Shockley e Queisser. Nel frattempo, l'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche è rapidamente aumentata al livello in cui è ora desiderabile calcolare un limite di efficienza, come hanno fatto Shockley e Queisser per le celle solari inorganiche.
Figura 1:Schema schematico del meccanismo di separazione di carica in una cella solare organica:La luce viene solitamente assorbita da una molecola organica (donatore) che tende a formare uno ione positivo. Un elettrone nel donatore forma un eccitone per assorbimento della luce. Successivamente, avviene la separazione di carica. Di conseguenza, il donatore diventa uno ione positivo e l'accettore diventa uno ione negativo. In questo processo, l'elettrone perde l'energia in eccesso necessaria per la separazione di carica (ΔE DA ).
ricercatori AIST di vario settore, in particolare dal Centro di Ricerca per le Tecnologie Fotovoltaiche, ha condotto ricerca e sviluppo interdisciplinare per migliorare l'efficienza e la durata delle celle solari organiche; questi ricercatori provengono dai campi dell'Ambiente e dell'Energia, Metrologia e scienze della misurazione, e nanotecnologie, Materiali e fabbricazione. Il Comitato per lo studio del limite delle celle solari organiche, avviata dal Leader Yoshida e composta da ricercatori AIST di vari settori, condotto questo studio sul limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche.
L'efficienza di conversione fotoelettrica di una cella solare è limitata da fattori quali il band gap del semiconduttore, dissipazione come calore, e ricombinazione di carica elettrica. La luce con energia inferiore al band gap non viene assorbita e non contribuisce alla generazione di elettricità. La luce con energia superiore al band gap diventa calore e si dissipa, provocando un calo di tensione. Se le cariche generate dalla luce vengono perse per ricombinazione nel momento in cui raggiunge gli elettrodi, la corrente elettrica è diminuita. Tutti questi fattori riducono l'energia elettrica della cella solare. Prendendo in considerazione questi fattori, un limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari inorganiche è stato mostrato nel 1961 da Shockley e Queisser ( J. Appl. fisica . vol. 32, p.510 [1961]).
Figura 2:Relazione tra il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica e il valore minimo di energia luminosa che può essere assorbita (bordo di assorbimento ottico) da una cella solare organica multi-giunzione quando l'energia in eccesso richiesta per la separazione di carica è 0,4 eV. Si presume che due celle solari con una differenza di energia ottica del bordo di 0,4 eV siano collegate in serie. La linea rossa rappresenta il limite teorico convenzionale delle celle solari inorganiche a giunzione singola, la linea blu rappresenta il limite teorico delle celle solari organiche a singola giunzione, e la linea nera rappresenta il limite teorico delle celle solari organiche multigiunzione.
Il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica è stato calcolato sulla base di semiconduttori inorganici ed è stato ritenuto non valido per le celle solari organiche. Nelle sostanze organiche, L'attrazione coulombiana tra le cariche positive e negative è forte e produce coppie legate chiamate eccitoni dopo l'assorbimento della luce. Si stima che l'energia di legame coulombiana degli eccitoni nelle sostanze organiche sia almeno 10 volte maggiore dell'energia termica a temperatura ambiente. Poiché la separazione di carica degli eccitoni in una singola sostanza organica è insufficiente, una cella solare organica comprende due tipi di sostanze:una sostanza organica che tende a formare ioni positivi e una sostanza organica che tende a formare ioni negativi. All'interfaccia tra queste sostanze, le cariche degli eccitoni sono separate. La presente ricerca si è concentrata sulla presenza dell'energia in eccesso richiesta per la separazione di carica nelle celle solari organiche. Il metodo della teoria di Shockley e Queisser mostra che quando si tiene conto dell'energia in eccesso, il tasso di ricombinazione di carica aumenta, con conseguente variazione di tensione e corrente. Utilizzando l'interazione di Coulomb in cui 1 nm è la distanza tra le cariche positive e negative legate e 3.5 è il valore generale della costante dielettrica nelle sostanze organiche, l'energia in eccesso richiesta per la separazione di carica è calcolata da 0,3 a 0,4 eV. Poiché ci sono altre interazioni, questo valore è considerato il valore minimo. Sebbene approssimativamente stimato, è quasi uguale al valore per l'energia in eccesso minimo indicato nei rapporti precedenti. Quando il limite teorico dell'efficienza di conversione fotoelettrica è stato calcolato utilizzando 0,4 eV come energia in eccesso richiesta per la separazione di carica, è stato ottenuto il valore massimo del 21%. Anche la lunghezza d'onda della luce assorbita alla quale una cella solare organica dimostra la massima efficienza è stata determinata come 1,5 eV (lunghezza d'onda di 827 nm) mediante calcoli teorici, e fornisce una guida per la selezione di una molecola organica che assorbe la luce (principalmente donatrice).
Il limite dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche a giunzione singola è stato teoricamente calcolato pari al 21% utilizzando 0,4 eV come energia in eccesso richiesta per la separazione di carica. Questo valore limite del 21% è superiore all'attuale efficienza dal 10% al 12%, e suggerisce che ci si può aspettare un ulteriore miglioramento in futuro come risultato della selezione dei materiali e dell'ottimizzazione della struttura. I ricercatori intendono scoprire i fattori per la differenza tra il limite teorico e l'efficienza effettiva, ed espandere gli sforzi di ricerca e sviluppo per identificare e risolvere i problemi per aumentare l'efficienza.
