جدیدآیا سلول های خورشیدی آلی تحول ساز خواهند شد؟
مواد پلیمری فتوولتائیک (Photovoltaic) ویژگی‌های الکترونیکی و نوری قابل تنظیمی دارند. همچنین با اجرای فرایندهای کم‌هزینه روی این مواد می‌توان سلول های خورشیدی قابل انعطاف و با مساحت زیادی تولید کرد.
این ویژگی‌ها باعث شده است مواد پلیمری فتوولتائیک توجه زیادی را در فناوری‌های انرژی پاک به خود جلب کنند. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پلیمر، در عین داشتن پایداری فیزیکی و شیمیایی در طولانی‌مدت، کارایی فرایندهای تبدیل انرژی را چند برابر کرده‌اند.
در حال حاضر، انرژی خورشیدی بیشترین اهمیت اقتصادی را میان سایر منابع انرژی تجدیدپذیر دارد و منابع دیگری مانند برق‌آبی، بایومس (biomass) و انرژی باد در اولویت‌های بعدی هستند. در ده سال گذشته، سلول‌های فتوولتائیک آلی (OPV) توجه زیادی را به‌عنوان یک گزینه احتمالی برای نمونه‌های غیرآلی به خود جلب کرده‌اند.
فناوری مدرن OPV قابلیت پیاده‌سازی در زنجیره‌های تولید تکرارپذیر را دارد. استفاده از OPV های سبک در بسترهای انعطاف‌پذیر، نسبت به سلول‌های خورشیدی غیرآلی پیشین مزیت‌های زیادی دارد. اخیراً راندمان تبدیل نیرو (PCE) تا 17 درصد برای سلول‌های فتوولتائیک آلی در مقیاس آزمایشگاهی گزارش شده است. اما هنوز هم برای بهبود PCE، دامنه جذب طیف و پایداری دستگاه، به کارایی بیشتری نیاز است تا بتوان از کاربردهای صنعتی در مقیاس بزرگ استفاده کرد.
مولکول‌های آلی رسانا با پیوندهای اتمی مزدوج
نیمه‌هادی‌های مولکولی، مولکول‌های آلی نسبتاً کوچکی هستند. مولکول‌هایی که معمولاً ساختاری غیر تکرارشونده دارند. از طرف دیگر، نیمه‌هادی‌های پلیمری، زنجیره‌هایی از مونومرهای تکرارشونده و پیوندی یا زنجیره‌های دو یا چند مونومری (کوپلیمرها) هستند.
پیوندهای تمام مواد آلی الکترونیکی، چه مونومر و چه پلیمر، از نوع مزدوج (conjugated bonds) است. این پیوندها برای دستیابی به رسانایی در مولکول‌ها ضروری هستند.
در اینجا مزدوج بودن (Conjugation) به معنای آن است که ساختار پلیمر از پیوندهای متناوب تکی و دوتایی بین اتم‌های کربن تشکیل شده است. پیوندهای منفرد مقاوم بین اتم‌های کربن اصطلاحاً پیوندهای Ϭ موضعی هستند. در مقابل، پیوندهای دوتایی، پیوندهای Π ضعیف‌تری را ایجاد می‌کنند که در حد نوع قبل موضعی نیستند. در نتیجه، قطبش‌پذیری الکترونیکی (Polarizability) بالایی ایجاد می‌شود.
مواد آلی، جایگزینی برای نیمه‌هادی‌های غیرآلی
بااین‌حال، رسانایی این نیمه‌هادی‌های آلی نسبتاً کم است. حذف الکترون از باند ظرفیت توسط فرایند اکسیداسیون (p-Doping) یا افزودن الکترون به باند رسانا با احیا (N-Doping) منجر به افزایش رسانایی مواد می‌شود. روند دوپینگ سبب ایجاد نقص‌هایی در بار الکتریکی می‌شود که می‌توانند در امتداد ستون فقرات پلیمر حرکت کنند.
در مواد نیمه‌رسانای آلی، سطح انرژی اوربیتال‌های مولکولی با بیشترین حد اشغال (HOMOs) و اوربیتال‌های مولکولی با کمترین حد اشغال (LUMOs) به ترتیب با باندهای ظرفیت و هدایت نیمه‌هادی‌های غیرآلی معمولی مشابه است.
الکترون‌هایی که با استفاده از نور در مولکول‌های دهنده ایجاد می‌شوند، از LUMO دهنده به گیرنده منتقل می‌شوند. برعکس، حفره‌های ایجاد شده توسط نوری که در مولکول گیرنده ایجاد می‌شود، از HOMO گیرنده به دهنده منتقل می‌شوند.
محدودیت‌های قابل‌توجهی که در PCE دستگاه‌های OPV وجود دارد، از طول نفوذ کوتاه حامل‌های بار درون نیمه‌هادی‌های آلی و جذب ناکافی نور در لایه‌های نوری دستگاه ناشی می‌شود. تحرک بار کم در داخل مواد نیمه‌رسانای آلی، نیاز به ضخامت لایۀ فعال نوری در حدود 100 نانومتر دارد. در نتیجه بازده جذب نور کم است.
نیمه‌هادی‌های آلی قابل‌استفاده در سلول‌های خورشیدی کم‌هزینه
توسعۀ مفهوم پیوند ناهمگون یا Heterojunction مواد بالک (BHJ) در دهۀ آخر قرن 20 با توسعۀ طیف وسیعی از مواد نیمه‌رسانای آلی همراه شد که می‌توانستند نور را در قسمت مرئی UV از طیف خورشیدی جذب کنند. این موضوع راه را برای پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری OPV باز کرد.
در آرایه‌های BHJ، پلیمرهای دهنده و مواد گیرندۀ متصل شده (که معمولاً مشتقات فولرن هستند) به روشی کنترل شده مخلوط می‌شوند. با این کار، اطمینان حاصل می‌شود که یک منطقه تماس سطحی بزرگ میان دهنده و گیرنده برای نفوذ مؤثر بار وجود دارد.
قرار دادن مولکول‌های دهنده و گیرنده نزدیک به یکدیگر (به طور معمول کمتر از 10 نانومتر فاصله) طول‌های نفوذ بار مورد نیاز را تا زیر مسیر آزاد میانگین جفت الکترون-حفره کاهش می‌دهد. اینجا منظور از مسیر آزاد متوسط (Mean Free-Path) مسیری است که جفت الکترون حفره می‌توانند آزادانه حرکت کنند.
دستگاه‌های OPV با ساختارهای BHJ از بهبود تفکیک جفت الکترون-حفره و انتقال بار بهره‌مند می‌شوند و عملکرد دستگاه‌های OPV را افزایش می‌دهند.
لایه فعال سه‌جزئی با جذب نور بهبودیافته
یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هیروشیما در ژاپن به سرپرستی پروفسور ایتارو اوزاکا، اخیراً یک سلول OPV ابتکاری مبتنی بر ترکیبی از سه جزء از پلیمرهای نیمه‌رسانا با تبلور بالا ساخته‌اند. این سلول از جنس مشتقات فولرن و مواد حساس به نور ساخته شد.
این سه ماده، دارای دامنۀ جذب طول موج متفاوت هستند و از یک لایۀ فعالِ نوری با جذب نور افزایش‌یافته تشکیل می‌شوند. از این رو، کارایی فرایند تبدیل انرژی را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهند.
این ترکیب از یک پلیمر نیمه‌رسانای با تبلور بالا بر پایۀ تیوفن و تیازولوتیازول (Ptzbt) به‌عنوان دهنده و مشتقات فولرن به‌عنوان گیرنده تشکیل شده است. این ترکیب اجازه می‌دهد یک لایۀ حساس نوری نسبتاً ضخیم تا 360 نانومتر بدون اثرات سوء بر تحرک حاملان بار در لایه ایجاد شود.
محققان همچنین کشف کردند که جذب نور درون لایۀ فوتواکتیو با افزایش ضخامت لایه به‌صورت خطی افزایش نمی‌یابد. در عوض، حداکثر جذب در برخی ضخامت‌های خاص به دلیل اثر تداخل نوری ناشی از بازتاب نور در بستر فلزی سلول فتوولتائیک آلی (الکترود) رخ می‌دهد؛ بنابراین کنترل دقیق ضخامت لایۀ فوتواکتیو و توانایی تشکیل لایه‌های ترکیبیِ ضخیم‌تر برای عملکرد پیشرفته سلول OPV ضروری است.
نیمه‌هادی مولکولی جدید، گستره جذب سلول‌های فتووتاییک آلی را افزایش می‌دهد…
با افزودن مقدار کمی نیمه‌هادی مولکولی به نام ITIC، به‌عنوان یک گیرندۀ غیر فولرن به لایۀ فعال نوری (فوتواکتیو)، همه چیز متفاوت شد. تیم پروفسور اوزاکا ITIC را نسل جدیدی از مولکول‌های آلی کوچک پذیرندۀ الکترون می‌دانند که می‌توانند از فولرن‌ها به‌عنوان پذیرندۀ الکترون برای کاربردهای OPV بهتر عمل کنند.
نیمه‌هادی مولکولی منحصر‌به‌فرد جذب حداکثری 700 نانومتر را از خود نشان داد که باعث افزایش جذب کل سلول OPV شد.
تداخل نوری به بهبود عملکرد سلول خورشیدی کمک می‌کند
در کمال تعجب دانشمندان، افزودن تنها 6 درصد وزنی ITIC به لایۀ فوتواکتیو OPV کارایی سلول خورشیدی را تا حدود زیادی بهبود بخشید. در نتیجۀ این کار، راندمان تبدیل نیروی بیش از 10 درصد حاصل شد که در مقایسه با مقدار قبلی یعنی 4/7، 5/1 برابر افزایش یافته است.
نتایج نشان می‌دهند که اثر تداخل نوری می‌تواند جذب لایه را تشدید کرده و نقشی اساسی در برداشت فوتون‌های اضافی با طول موج قرمز داشته باشد.
اگر چه راندمان کلی دستگاه هنوز هم نسبتاً کم (حدود 10 درصد) باقی مانده است، اما ترکیب‌های سه‌گانۀ حساس از مواد نیمه‌رسانای آلی، نوید بهبود بیشتر عملکرد سلول های فتوولتاییک آلی را می‌دهند.
منبع
دیدگاه کاربران