Các nhà nghiên cứu tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời hữu cơ nhiều lớp

Các nhà nghiên cứu tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời hữu cơ nhiều lớp

    Các nhà nghiên cứu tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời hữu cơ nhiều lớp

    solar cell

    Ảnh: Pixabay/CC0 


    Các lớp chất nhận làm từ oligome có thể tăng hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ đồng thời đảm bảo tuổi thọ hoạt động lâu dài. Đây là kết quả của một loạt các thí nghiệm phức tạp trong phòng thí nghiệm do các nhà khoa học vật liệu tại Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) tiến hành. Pin mặt trời hữu cơ ít phức tạp hơn để sản xuất so với các mô-đun silicon thông thường và linh hoạt hơn đáng kể vì chúng có thể mềm dẻo và trong suốt. Phát hiện của các nhà nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Energy.

    Cuộc chiến ở Ukraine tiếp tục đóng vai trò như một lời nhắc nhở rõ ràng về tầm quan trọng đối với chúng ta là chấm dứt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch càng nhanh càng tốt. Việc mở rộng nhanh chóng các nguồn năng lượng tái tạo là một trong những chìa khóa thành công về mặt này. Ví dụ, trong trường hợp quang điện, những khó khăn không chỉ liên quan đến việc đấu tranh để đạt được sản lượng cao hơn mà còn liên quan đến việc phát triển các ứng dụng mới do diện tích bề mặt dành cho các tấm pin mặt trời bị hạn chế ở các quốc gia công nghiệp đông dân cư như Đức.

    Đây là lý do tại sao rất nhiều nghiên cứu hiện đang được thực hiện về quang điện hữu cơ. Trái ngược với silicon được sử dụng trong các hệ thống thông thường, pin mặt trời hữu cơ bao gồm chất bán dẫn dựa trên carbon được áp dụng trực tiếp từ dung dịch lên màng hỗ trợ. Điều này có nghĩa là các mô-đun linh hoạt và có thể trong mờ hoặc hoàn toàn trong suốt, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong không gian đô thị, bao gồm cả việc sử dụng trong các ô cửa sổ.

    Tốt nhất của cả hai thế giới

    Việc lựa chọn vật liệu tốt nhất cho các lớp bán dẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu: “Ví dụ, nếu chúng ta sử dụng polyme có chuỗi phân tử rất dài, các mô-đun sẽ bền bỉ trước sự dao động của nhiệt độ và có tuổi thọ hoạt động lâu hơn”, GS.TS cho biết .Christoph Brabec, Chủ tịch Khoa học Vật liệu (Vật liệu trong Điện tử và Công nghệ Năng lượng) tại FAU và Giám đốc Viện Helmholtz Erlangen-Nürnberg về Năng lượng Tái tạo (HI ERN). "Tuy nhiên, các polyme không được xác định rõ ràng và có nhiều khuyết tật hơn do tính phức tạp của chúng, điều này có thể dẫn đến sản lượng thấp hơn ở mức độ ánh sáng yếu."

    Trong quá trình tìm kiếm các giải pháp thay thế cho việc chuyển điện tử, do đó, các hoạt động nghiên cứu tại HI ERN đang được đẩy mạnh với việc nghiên cứu các phân tử được gọi là oligomer. Chuỗi của chúng ngắn hơn, chúng có thể được thiết kế chính xác hơn và chúng có hiệu suất cao hơn trong ánh sáng cận hồng ngoại so với chuỗi polyme. Nhược điểm là các oligome nhạy cảm hơn với sự dao động nhiệt độ và thường không ổn định hơn.

    Nhóm làm việc quốc tế do Christoph Brabec đứng đầu nhằm mục đích kết hợp những gì tốt nhất từ ​​cả hai thế giới bằng cách phát triển các chất bán dẫn không phải fullerene phân tử thấp có hiệu suất cao đồng thời mạnh mẽ và bền bỉ. Họ đã nhắm đến các dẫn xuất của một phân tử đặc biệt gọi là Y6, có cấu trúc đối xứng và bao gồm các nguyên tử cacbon cũng như nitơ, hydro, oxy, lưu huỳnh và brom.

    Difei Zhang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ, người đã tiến hành các thí nghiệm tại FAU, giải thích: “Chúng tôi đã sửa đổi phân tử trong vô số thử nghiệm và kiểm tra các đặc tính của nó như một lớp chất nhận.

    Trong quá trình điều tra, có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc (SCUT), các phép đo tán xạ tia X góc rộng hai chiều được sử dụng để phân tích cấu trúc vi mô và hành vi của các chuỗi phân tử.

    Và người chiến thắng là OY3

    Quá trình tinh chỉnh phức tạp của cấu trúc phân tử cuối cùng đã tạo ra một ứng cử viên đầy hứa hẹn—một oligome có tên viết tắt là OY3. Brabec cho biết: “OY3 có hiệu suất hoạt động trung bình là 15%, một giá trị mà chúng tôi cũng đã đo được với một số công cụ phái sinh khác”. "Tuy nhiên, điều cũng gây ấn tượng với chúng tôi là khả năng ổn định ánh sáng tuyệt vời của nó."

    Oligomer giữ lại 94% sản lượng ban đầu ngay cả sau 200 giờ hoạt động. Các phép đo tiếp theo cho thấy tuổi thọ hoạt động hơn 25.000 giờ, với thời gian hoạt động trung bình 1.500 giờ mỗi năm, tương đương với tuổi thọ hoạt động hơn 16 năm.

    Brabec cho biết: "Các thông số này là duy nhất cho các mô-đun quang điện hữu cơ nhiều lớp và đáp ứng tất cả các yêu cầu để thương mại hóa nhanh chóng. Chiến lược thiết kế oligomer có mục tiêu của chúng tôi đưa quang điện hữu cơ lên ​​một cấp độ hiệu quả mới và đưa chúng đến rất gần với ứng dụng thực tế."

    Zalo
    Hotline