Skrytá bariéra odhalena: Organické solární články mohou brzy překonat 20% účinnost a zlevnit energii

Mezinárodní tým vědců odhalil skrytý mechanismus, který dosud omezoval výkon organických solárních článků a bránil jim překročit 20% účinnost.

Mezinárodní tým vědců odhalil skrytý mechanismus, který dosud omezoval výkon organických solárních článků a bránil jim překročit 20% účinnost. Tento průlom, vedený odborníky z Linköping University ve Švédsku, University of Potsdam v Německu a Paul Drude Institute v Berlíně, řeší dlouhodobou výzvu ve vývoji organických fotovoltaických (OPV) technologií.

Organické fotovoltaické články představují ekologickou a nízkoenergetickou alternativu k tradičním solárním panelům na bázi křemíku. Mají potenciál vyrábět elektřinu za nižší cenu než solární technologie první a druhé generace. Výkon solárních článků je určen třemi faktory: zkratovým proudem, napětím naprázdno a faktorem plnění. Zlepšení jednoho z těchto faktorů však často vedlo ke zhoršení jiného, což vytvářelo obtížný kompromis. Pokusy o zvýšení napětí naprázdno často snižovaly faktor plnění a naopak.

S rostoucí účinností organických solárních článků nad 20 procent se tento kompromis stával stále obtížněji překonatelným. Vědci Dieter Neher z University of Potsdam, Feng Gao z Linköping University a Safa Shoaee z Paul Drude Institute se proto spojili, aby prozkoumali jeho kořeny. Jejich výzkum ukázal, že za určitých podmínek závisí generování volných elektrických nábojů v aktivní vrstvě solárního článku silně na elektrickém poli v organickém polovodičovém materiálu. Profesor fyziky Dieter Neher zdůraznil, že to vede k dosud málo pochopenému omezení faktoru plnění, které je zvláště relevantní, když je potřeba minimalizovat ztráty napětí.

Když sluneční světlo dopadne na organický solární článek, vytváří excitony – vázané páry záporně nabitých elektronů a kladně nabitých děr. Tyto páry se nemohou volně pohybovat a musí se nejprve rozdělit na volné náboje, které mohou generovat elektřinu. Pomocí simulací celého solárního článku tým zjistil, že v tomto procesu hrají klíčovou roli dva faktory: jak dlouho excitony přežijí a kolik energie se uvolní během přenosu náboje. Oba parametry byly identifikovány jako nejdůležitější determinanty faktoru plnění při nízkých ztrátách napětí.

Vědci prokázali, že prodloužení životnosti excitonů může problém výrazně zmírnit. Pro ověření konceptu vyvinuli také nové kombinace organických materiálů a použili je k výrobě solárních článků. Tato zařízení dosáhla jak vysokých faktorů plnění, tak celkově silného výkonu. Zjištění poskytují obecné principy návrhu, které by mohly vést k vývoji budoucích organických fotovoltaických materiálů a architektur zařízení. Studie byla publikována v prestižním časopise Nature Photonics.