Campione fotovoltaico organico in prova.
Dispositivi fotovoltaici, noto anche come celle solari, produrre energia elettrica quando esposto alla luce, e quella tecnologia ha permesso un'industria in rapida crescita. I design più familiari utilizzano strati rigidi di cristallo di silicio. Ma di recente, intenso interesse si è concentrato sui dispositivi fotovoltaici organici (OP) che utilizzano materiali semiconduttori organici economici inseriti tra due elettrodi metallici. I dispositivi OP possono essere resi flessibili e facilmente trasportabili. Immagina una tenda che, una volta impostato, funge da grande sistema solare che può essere utilizzato per ricaricare l'elettronica portatile e le luci per la prossima notte di campeggio.
Però, in questo momento i dispositivi fotovoltaici organici sono ostacolati dalla bassa efficienza rispetto alle celle solari commerciali, in parte perché quantificare le loro proprietà elettriche si è rivelato difficile. Perciò, sono assolutamente necessari modelli predittivi e metriche quantitative per le prestazioni dei dispositivi.
Scienziati del Laboratorio di Misurazione Fisica del NIST, guidato da David Gundlach e Curt Richter della Divisione di metrologia dimensionale e dei semiconduttori, insieme a James Basham, un ricercatore ospite della Penn State University, hanno sviluppato un metodo che consente la previsione della curva densità di corrente-tensione di un dispositivo fotovoltaico. 1 Questo nuovo metodo utilizza una tecnica di misurazione comune (spettroscopia di impedenza) che è conveniente, ampiamente disponibile per i produttori, e relativamente facile da eseguire. La tecnica è ripetibile, non distruttivo, ragionevolmente veloce (≈15 min per testare un dispositivo), e, grazie a un'analisi e una metodologia rigorose create da Basham, fornisce una lettura completa delle proprietà di tensione di corrente del dispositivo che in precedenza era illusoria per la maggior parte dei ricercatori che lavoravano nel campo. Finalmente, questa tecnica consente di testare il dispositivo in condizioni reali.
"Questa svolta nella misurazione dovrebbe consentirci di ottimizzare più rapidamente le celle solari, " Richter afferma. "Siamo in grado di guardare ciò che accade elettronicamente in tutto il dispositivo. È importante sottolineare che quanto tempo esiste la carica una volta creata e quanto tempo ci vuole per portare la carica fotogenerata attraverso la miscela di semiconduttori agli elettrodi? Maggiore è la differenza tra la durata della carica e il tempo di transito del dispositivo, aumenta notevolmente la probabilità che un dispositivo fotovoltaico sia una fonte di energia elettrica più efficiente".
Attualmente a livello di laboratorio, il test della tensione di corrente dei dispositivi fotovoltaici organici viene in genere eseguito analizzando il funzionamento del dispositivo a entrambi gli estremi dello spettro di polarizzazione del dispositivo, ovvero un cortocircuito o un circuito aperto e cercando di dedurre da quei risultati cosa sta accadendo elettricamente all'interno del dispositivo. Ma, quando il dispositivo non funziona come una cella solare "da manuale" o "ideale", l'immagine di ciò che sta accadendo nel dispositivo tra questi estremi di polarizzazione diventa rapidamente offuscata.
"Questo approccio funziona solo se la ricombinazione (dove i portatori di carica vengono eliminati piuttosto che continuare a fluire attraverso il dispositivo) in una polarizzazione è nominalmente identica alla generazione di carica nell'altra, " dice Gundlach. "In un buon dispositivo, quelli dovrebbero essere circa uguali. In un dispositivo non ideale, potrebbero essere molto diversi. Con la nostra tecnica, possiamo effettivamente mappare l'intera gamma delle caratteristiche da un estremo all'altro e districare la generazione, trasporto, e diversi meccanismi di perdita in tutto l'intervallo di polarizzazione."
L'output di questa nuova tecnica è la riproduzione precisa della curva densità di corrente-tensione del dispositivo attraverso l'intero intervallo di tensione tra gli estremi di polarizzazione. Ciò consente ai ricercatori di individuare dove esistono problemi nel dispositivo e può fungere da modello per cosa riparare nel dispositivo.
Primo piano del campione fotovoltaico organico.
"Combinando le proprietà fisiche, vite, e le concentrazioni di portatori con un'immagine su scala nanometrica accurata della microstruttura del film semiconduttore fornisce davvero un quadro completo di come funziona il dispositivo e di cosa limita questi dispositivi dal raggiungere i loro limiti di prestazioni teoricamente previsti, " Gundlach spiega. "I nostri colleghi del Materials Measurement Laboratory del NIST hanno notevolmente migliorato la comprensione dei campi di quest'ultimo. Ora siamo in una posizione molto migliore per mettere insieme tutte le informazioni, e quindi possiamo sviluppare modelli di dispositivi fisicamente più accurati, linee guida per la progettazione dei materiali più informate, e infine collegare più strettamente le proprietà dei materiali con i metodi di lavorazione e le prestazioni delle celle solari".
E poiché il processo fisico che governa il fotovoltaico organico è molto simile ad altri semiconduttori organici (diodi organici emettitori di luce, Per esempio, che sono prevalenti nei display elettronici), le future applicazioni di questa tecnica ad altri settori sembrano immediate.
"Gran parte delle conoscenze sviluppate qui possono essere applicate anche per realizzare diodi organici a emissione di luce migliori, " Spiega Richter. I campioni fotovoltaici organici utilizzati in questo studio sono stati sviluppati internamente al NIST. Il dispositivo spesso 100 nm ha una struttura a tre strati:un elettrodo semitrasparente superiore, il fotovoltaico organico, e un elettrodo inferiore, posto su un pezzo di vetro da 1 pollice.
Per le misure di spettroscopia di impedenza, il campione è stato installato sotto una luce bianca a banda larga a LED, calibrato su un'illuminazione solare (luce solare naturale).
La misurazione stessa è concettualmente semplice:"Stiamo applicando una tensione oscillante attraverso il dispositivo e misurando la corrente che esce, "Spiega Richter. "Lo facciamo sotto la luce solare simulata. Matematicamente, stiamo osservando lo sfasamento della corrente in uscita rispetto alla tensione in entrata."
Questi risultati, combinato con l'analisi e la metodologia di Basham, forniscono una misurazione relativamente poco costosa che ha un enorme valore nella comprensione dei meccanismi di perdita dominanti nell'intero intervallo di polarizzazione di un dispositivo.
"Ora, una piccola azienda in fase di avviamento può uscire e acquistare uno spettrometro di impedenza e fare questa misurazione con la nostra carta in mano perché dice loro come, "Gundlach afferma.
"Possiamo anche fare queste stesse misurazioni in assenza della sorgente luminosa lungo lo stesso intervallo di tensione, "Gundlach continua, "e non ottieni esattamente la stessa risposta. Ci sono parti della comunità che hanno sostenuto che puoi fare queste misurazioni oscure e ottenere la stessa risposta".
Più recentemente, Gundlach e Basham, in collaborazione con il Laboratorio di Misurazione dei Materiali del NIST, ha utilizzato questa tecnica in combinazione con una tecnica di misurazione separata chiamata Large Perturbation Transient Photovoltage (LPTP). 2 In LPTP, il campione fotovoltaico organico viene illuminato con un impulso laser, che si traduce in un'alta tensione temporanea che decade in un tempo da nanosecondi a secondi. La tensione è misurata, e viene prodotta una curva dati in base al tempo impiegato dalla tensione per tornare al suo stato scuro. Questi dati risultanti forniscono ulteriori informazioni sugli effetti di ricombinazione nel dispositivo che la spettroscopia di impedenza non è in grado di fornire.
I confronti della durata della carica fotogenerata in funzione della densità di carica su un'ampia gamma di densità di carica prodotta da entrambi i metodi erano gli stessi, confermando che entrambe le tecniche potrebbero misurare in modo sensibile e accurato i processi di generazione e ricombinazione in modo coerente.
"Questa è un'importante convalida di queste tecniche di misurazione e metodi di analisi che non è stata esplicitamente mostrata prima per questi dispositivi; solo ipotizzato, "Gundlach afferma.
