Dokładniejsze informacje na temat samoorganizacji molekularnej w organicznych ogniwach słonecznych
Organiczne ogniwa słoneczne stanowią nie tylko tańszą alternatywę dla dominujących na rynku ogniw krzemowych, ale posiadają również większą elastyczność w zakresie zastosowań. Dzięki niewielkiej grubości mogą być stosowane na większych powierzchniach i nakładane bezpośrednio na materiały budowlane o różnych kształtach, co w przypadku tradycyjnych, płaskich ogniw polimerowych (PSC, Polymer Solar Cells) nie jest możliwe. Jednakże te zalety organicznych powłok półprzewodnikowych stanowią olbrzymie wyzwanie dla przeprowadzających doświadczenia badaczy, głównie ze względu na cienkość warstw, przez co efekty zmian wydajności są bardzo subtelne, a tym samym – trudne do zmierzenia. Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu NEUTRONOPV podjęli to wyzwanie na poziomie ogólnym i szczegółowo opisali zależności pomiędzy warunkami procesu, morfologią warstwy aktywnej a wydajnością ogniw słonecznych. Opracowali również nowe, bardziej dokładne techniki charakteryzowania, przeznaczone do badania ogniw słonecznych. Neutrony a nanostruktura W celu systemowego poznania wpływu subtelnych zmian w składzie powłoki ogniwa słonecznego na wydajność tego ogniwa zespół NEUTRONOPV zbadał wiele mieszanin polimerów półprzewodzących. Następnie badacze zaczęli wprowadzać stopniowe zmiany w składzie, wytwarzając kilka urządzeń o różnych morfologiach, które następnie zostały poddane analizie pod kątem różnorodnych kryteriów, takich jak mobilność ładunku czy wydajność fotowoltaiczna. Bardzo cienkie powłoki (o grubości nieprzekraczającej jednego mikrona) były nakładane laboratoryjnie metodą powlekania obrotowego oraz skalowalną na potrzeby przemysłu metodą powlekania natryskowego. Jak wyjaśnia prof. Richard Jones: „W gruncie rzeczy sam zastosowany przez nas proces jest bardzo prosty i przypomina malowanie powierzchni. Jednak to, co dzieje się podczas tego procesu – te wszystkie oddziaływania między molekułami – jest bardzo skomplikowane. Molekuły same organizują się w konkretne struktury nanoskalowe, a to właśnie natura tych struktur ma największy wpływ na wydajność ogniwa słonecznego”. Aby lepiej poznać proces samoorganizacji molekuł, zespół zastosował technikę, w której wiązka neutronów jest kierowana na próbkę, a następnie dokonał pomiaru rozproszenia neutronów przez nanoskalowe struktury występujące w nałożonej powłoce. „Mimo że taka metoda badania jest dużo lepsza niż inne techniki, ponieważ dostarcza ilościowe wyniki reprezentatywne dla całej warstwy powłokowej, jest ona dużo trudniejsza do przeprowadzenia na bardzo cienkich warstwach, jako że oddziaływanie poszczególnych wiązek neutronowych jest bardzo słabe” – wyjaśnia prof. Jones. W celu przezwyciężenia tego problemu Gabriel Bernado, naukowiec biorący udział w projekcie, opracował nową metodę układania dużej liczby warstw jednana drugiej z myślą o wzmocnieniu tych oddziaływań. Oprócz technologii neutronowych w badaniach zastosowano również tradycyjne techniki laboratoryjne. W kierunku gospodarki niskoemisyjnej Przyjęte podejście polegające na mieszaniu składem powłok może przynieść wymierne korzyści, umożliwiając m.in. Bardziej zrównoważoną produkcję poprzez zastąpienie halogenowanych rozpuszczalników, które zostały uznane za niezwykle szkodliwe dla zdrowia ludzkiego i środowiska, bardziej ekologicznymi substytutami. Dodatkowo organiczne ogniwa słoneczne są tańszą i łatwiejszą do stosowania na dużych powierzchniach o różnych kształtach alternatywą niż konwencjonalne ogniwa oparte na krzemie, zaś pełne społeczne poparcie dla tego typu rozwiązań z pewnością pomoże w budowie gospodarki niskoemisyjnej. „Moim zdaniem potencjał drzemiący w procesie samoorganizacji – w ramach którego molekuły same organizują się przestrzennie zgodnie z prostymi regułami, tworząc skomplikowane struktury – pozwoli nam wkrótce budować funkcjonalne urządzenia o wielu interesujących i przydatnych funkcjach, jak przetwarzanie światła na elektryczność” – opowiada z entuzjazmem prof. Jones. „Chciałbym dokładnie poznać przebieg tego procesu, aby później wykorzystać go dla dobra społeczeństwa”. Obecnie zespół pracuje nad zastosowaniem opracowanych przez siebie technik i metod w różnych systemach, w tym hybrydowych półprzewodnikach organicznych i nanocząsteczkach półprzewodników nieorganicznych.
Słowa kluczowe
Fotowoltaika organiczna, neutron, struktura nanoskalowa, ogniwa słoneczne, gospodarka niskoemisyjna, powłoki półprzewodnikowe, powlekanie obrotowe, powlekanie natryskowe, samoorganizacja
