AIST-onderzoekers hebben de theoretische limiet van de foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen berekend, die als nieuwe generatie zonnecellen de aandacht hebben getrokken.

De theoretische limiet van het foto-elektrische conversierendement is bekend voor anorganische zonnecellen. Door de theorie voor anorganische zonnecellen aan te passen om rekening te houden met de verschillen in mechanismen voor het produceren van ladingen na lichtabsorptie, een theoretische limiet van het foto-elektrische conversierendement van organische zonnecellen werd berekend. De resultaten zullen naar verwachting dienen als leidraad voor het verbeteren van de foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen. De resultaten worden binnenkort gepubliceerd in de online versie van Technische Natuurkunde Brieven , een tijdschrift van het American Institute of Physics.

Organische zonnecellen zijn licht, dun, en zacht door de eigenschappen van organische materialen. Ze vertegenwoordigen een nieuwe generatie zonnecellen die energie kunnen opwekken op locaties waar het voorheen moeilijk was om zonnecellen te installeren. Hoewel de materialen over het algemeen goedkoop zijn, het verbeteren van de efficiëntie en duurzaamheid van de foto-elektrische conversie is technisch moeilijk geweest. Echter, in recente jaren, de efficiëntie van de foto-elektrische conversie is snel verbeterd, met een conversie-efficiëntie van meer dan 10%. Het rendement is even hoog als dat van zonnecellen van amorf silicium. De snelle toename van het foto-elektrische conversierendement wekte de interesse in hoeverre het conversierendement van organische zonnecellen verbeterd kan worden. 1961, Shockley en Queisser toonden aan dat de theoretische limiet van het foto-elektrische conversierendement voor zonnecellen met anorganische halfgeleiders ongeveer 30% was. Aangezien het werkelijke rendement van dergelijke zonnecellen deze waarde nu benadert, recente onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen voor anorganische zonnecellen zijn gericht op het verbeteren van de efficiëntie door de introductie van structuren zoals multi-junction zonnecellen en concentrerende zonnecellen die niet werden overwogen in de theorie van Shockley en Queisser. In de tussentijd, het foto-elektrische omzettingsrendement van organische zonnecellen is snel gestegen tot het niveau waarop het nu wenselijk is om een ​​rendementsgrens te berekenen, zoals Shockley en Queisser deden voor anorganische zonnecellen.

AIST-onderzoekers uit verschillende vakgebieden, met name van het onderzoekscentrum voor fotovoltaïsche technologieën, heeft interdisciplinair onderzoek en ontwikkeling gedaan om de efficiëntie en duurzaamheid van organische zonnecellen te verbeteren; deze onderzoekers komen uit de vakgebieden Milieu en Energie, Metrologie en meetwetenschap, en nanotechnologie, Materialen en fabricage. De commissie voor het bestuderen van de limiet van organische zonnecellen, geïnitieerd door leider Yoshida en bestaande uit AIST-onderzoekers uit verschillende vakgebieden, voerde deze studie uit naar de theoretische limiet van de foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen.

Het foto-elektrische conversierendement van een zonnecel wordt beperkt door factoren zoals de band gap van de halfgeleider, dissipatie als warmte, en elektrische ladingsrecombinatie. Licht met een energie kleiner dan de band gap wordt niet geabsorbeerd en draagt ​​niet bij aan de opwekking van elektriciteit. Licht met een energie hoger dan de band gap wordt warmte en verdwijnt, spanningsdaling veroorzaken. Als de door licht gegenereerde ladingen door recombinatie verloren zijn gegaan tegen de tijd dat het de elektroden bereikt, de elektrische stroom wordt verlaagd. Al deze factoren verminderen het elektrisch vermogen van de zonnecel. Rekening houdend met deze factoren, een theoretische limiet van de foto-elektrische conversie-efficiëntie van anorganische zonnecellen werd in 1961 aangetoond door Shockley en Queisser ( J. Appl. Fysio . vol. 32, p.510 [1961]).

De theoretische grens van het foto-elektrische conversierendement werd berekend op basis van anorganische halfgeleiders en werd als ongeldig beschouwd voor organische zonnecellen. Bij organische stoffen, Coulomb aantrekkingskracht tussen positieve en negatieve ladingen is sterk en produceert gebonden paren die excitonen worden genoemd na lichtabsorptie. De Coulomb-bindingsenergie van de excitonen in organische stoffen wordt geschat op minstens 10 keer groter dan de thermische energie bij kamertemperatuur. Omdat de ladingsscheiding van excitonen in een enkele organische stof onvoldoende is, een organische zonnecel bestaat uit twee soorten stoffen:een organische stof die de neiging heeft positieve ionen te vormen en een organische stof die de neiging heeft negatieve ionen te vormen. Op het grensvlak tussen deze stoffen, de ladingen van de excitonen zijn gescheiden. Het huidige onderzoek richtte zich op de aanwezigheid van de overtollige energie die nodig is voor ladingsscheiding in organische zonnecellen. De methode van de theorie van Shockley en Queisser laat zien dat wanneer rekening wordt gehouden met de overtollige energie, de snelheid van ladingsrecombinatie neemt toe, resulterend in spannings- en stroomveranderingen. Met behulp van Coulomb-interactie waarbij 1 nm de afstand is tussen de gebonden positieve en negatieve ladingen en 3,5 de algemene waarde van de diëlektrische constante in organische stoffen is, de overtollige energie die nodig is voor ladingsscheiding wordt berekend op 0,3 tot 0,4 eV. Omdat er andere interacties zijn, deze waarde wordt als de minimumwaarde beschouwd. Hoewel ruw geschat, het is bijna hetzelfde als de waarde voor de minimale overtollige energie die in eerdere rapporten is gegeven. Toen de theoretische limiet van het foto-elektrische conversierendement werd berekend met 0,4 eV als de overtollige energie die nodig is voor ladingsscheiding, de maximale waarde van 21% werd behaald. De golflengte van geabsorbeerd licht waarbij een organische zonnecel het hoogste rendement vertoont, is ook door theoretische berekeningen bepaald als 1,5 eV (golflengte van 827 nm), en het biedt een gids voor het selecteren van een organisch molecuul dat licht absorbeert (voornamelijk donor).

De limiet van de foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen met één junctie werd theoretisch berekend op 21% met gebruikmaking van 0,4 eV als de overtollige energie die nodig is voor ladingsscheiding. Deze grenswaarde van 21% is hoger dan het stroomrendement van 10% tot 12%, en het suggereert dat verdere verbetering in de toekomst kan worden verwacht als gevolg van materiaalkeuze en structuuroptimalisatie. De onderzoekers willen de factoren blootleggen voor het verschil tussen de theoretische limiet en de werkelijke efficiëntie, en de onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen uitbreiden om problemen te identificeren en op te lossen om de efficiëntie te verhogen.