Istraživači u ICFO-u su proizveli novu organsku solarnu ćeliju sa četiri terminala sa tandem konfiguracijom sa efikasnošću konverzije energije od 16,94% (PCE). Novi uređaj se sastoji od visoko providne prednje ćelije koja uključuje providnu ultratanku srebrnu (Ag) elektrodu od samo 7nm, što obezbeđuje njegov efikasan rad.
Tandemske organske solarne ćelije sa dva terminala (OSC) predstavljaju jedan od pristupa koji najviše obećava za rešavanje gubitaka u prenosu i termalizaciji u solarnim ćelijama sa jednim spojem. Ove organske solarne ćelije se sastoje od prednjih i zadnjih podćelija sa različitim razmacima pojasa, što omogućava širu apsorpciju i korišćenje sunčevog spektra.
Međutim, postizanje optimalnih performansi u takvim konfiguracijama zahteva dovoljnu ravnotežu struje između dve podćelije. Štaviše, proizvodnja tandem organskih solarnih ćelija ovih tipova je izazovna jer im je potreban robustan sloj međusobnog povezivanja sposoban da olakša efikasnu rekombinaciju naelektrisanja uz održavanje visoke transparentnosti.
Tandem konfiguracija sa četiri terminala se pojavila kao visokoefikasna alternativna strategija u dizajnu solarnih ćelija. Za razliku od pristupa sa dva terminala, ova konfiguracija ima odvojene električne veze za providnu prednju ćeliju i neprozirnu zadnju ćeliju.
Shodno tome, pitanje usklađivanja električne struje više nije ograničavajući faktor. Ova postavka omogućava veću fleksibilnost u odabiru pojasnih razmaka svake ćelije tandema, čime se optimizuje apsorpcija fotona i povećava ukupna efikasnost proizvodnje solarne energije.
Sada, u novoj studiji objavljenoj u časopisu Solar RRL, istraživači ICFO-a Francisco Bernal-Tekca i prof. Jordi Martorell opisuju proizvodnju tandemske organske solarne ćelije sa četiri terminala koja je postigla efikasnost konverzije energije od 16,94% (PCE). Centralno za ovo dostignuće je izrada ultratanke providne srebrne elektrode, kritične komponente koja je igrala ključnu ulogu u optimizaciji performansi tandem solarne ćelije.
Da bi proizveli novi uređaj, istraživači su prvo istražili organske materijale namenjene fotoaktivnom sloju obe ćelije. Ispitivali su efikasnost tri različite mešavine za prednju ćeliju, koja je dizajnirana da sakuplja fotone visoke energije. Mešavina koja se najbolje pokazala, nazvana PM6:L8-BO, konačno je izabrana. Za zadnju neprozirnu ćeliju, istraživači su odlučili da koriste mešavinu PTB7-Th:O6T-4F, sa uskim pojasom, što je čini pogodnijom za apsorpciju infracrvenog dela spektra (niskoenergetski fotoni).
Nakon što su odabrali mešavine, istraživači su koristili numerički pristup da dizajniraju konačnu strukturu četvorotandemskog OSC-a. Oni su koristili formalizam matrice u kombinaciji sa konvencionalnom metodologijom inverznog rešavanja problema da bi pronašli optimalne performanse i konačnu konfiguraciju solarnog uređaja.
Izrada ultra tanke providne srebrne elektrode debljine samo 7nm bila je ključni sastojak trenutnog istraživanja. Ovaj element je postavljen na zadnjoj strani prednje ćelije, obezbeđujući dobar prenos svetlosti za napajanje zadnje ćelije. Konvencionalne gornje Ag elektrode koje se koriste za providne aplikacije solarnih ćelija obično imaju debljinu od 9 do 15 nm.
Njegova proizvodnja zahtevala je preciznu kontrolu laboratorijskih uslova kako bi se obezbedila preciznost i doslednost. Elektroda je zatim naslagana sa tri dielektrična sloja naizmenično volfram trioksid (VO3) i litijum fluorid (LiF). Ova fotonska višeslojna struktura ima ključnu ulogu, jer je pozicionirana između dve ćelije kako bi se olakšala efikasna i ujednačena distribucija svetlosti.
„Ova struktura pokazuje visoku transmisiju u opsegu od 750–1.000 nm i visoku refleksivnost u opsegu od 500–700 nm“, napisali su istraživači.
„Razvoj providne srebrne srednje elektrode je ključan za efikasan rad solarne ćelije. Ona mora predstavljati delikatan balans, biti dovoljno providna da omogući svetlosti da dopre do zadnje ćelije, istovremeno održavajući visoku električnu provodljivost kako bi se obezbedile optimalne performanse solarne ćelije. prednja ćelija“, rekao je Bernal, istraživač ICFO-a i prvi autor studije. „Mogućnost proizvodnje elektrode od samo 7 nm bez uočavanja gubitaka u prednjim providnim ćelijama je značajan napredak u oblasti providnih ćelija.
Istraživači su testirali fotonaponske performanse uređaja pod 1 suncem osvetljenja sa solarnim simulatorom i izmerili njegovu kvantnu efikasnost. Uređaj je postigao 16,94% efikasnosti konverzije energije, što bi do sada bilo najviše dostignuto za tandemsku organsku ćeliju sa četiri terminala. Autori studije primećuju da je trenutni zvanični rekord efikasnosti za organske tandem uređaje 14,2% i da je poslednji prijavljeni PCE za 4-terminalne organske tandeme 6,5%.
„Naše istraživanje ima potencijalne primene u fotoelektrohemijskim ćelijama (PEC), koje se bave ključnim električnim zahtevima kao što je obezbeđivanje neophodnog napona za prevazilaženje uspostavljenog za pokretanje cepanja vode ili reakcija smanjenja CO 2 kao u projektu SOREC2“, objasnio je prof. Martorell, istraživač u ICFO i Koordinator projekta SOREC2.
„Metodologija za projektovanje i implementaciju tandem strukture sa četiri terminala mogla bi se primeniti na projektovanje sistema vesti gde je adekvatna distribucija svetlosti u elementima ključna za performanse određenog uređaja.“
Istraživači trenutno usmeravaju svoj fokus na prečišćavanje, podešavanje i poboljšanje metodologije i strukturnog dizajna prilagođenog aplikacijama kao što su solarna goriva, gde tandem uređaji imaju široku primenu. Optimizacijom metodologije i strategija dizajna, istraživači imaju za cilj da otključaju puni potencijal ovih uređaja u iskorišćavanju solarne energije za različite i održive procese konverzije energije, kao što su konverzija CO 2 i valorizacija.
