Νέα, σούπερ αποδοτικά ηλιακά κύτταρα χάρη σε τριπλά εξιτόνια

Η εξαγωγή ηλεκτρονίων από τα “σκοτεινά” περιστρεφόμενα εξιτόνια φαίνεται πως είναι το κλειδί για την επίτευξη πολύ υψηλών αποδόσεων με υβριδικά ηλιακά κύτταρα.

Tweet

Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Cambridge απέδειξαν για πρώτη φορά πως είναι δυνατόν να μεταφερθεί ενέργεια από οργανικούς σε ανόργανους ημιαγωγούς μέσω των λεγόμενων τριπλών εξιτονίων. Τι είναι όμως τα τριπλά εξιτόνια;

Το εξιτόνιο είναι ένας συνδυασμός ενός φωτοδιεγερμένου ηλεκτρονίου και μιας οπής, όπου το ηλεκτρόνιο έχει αποκτήσει αρκετή ενέργεια ώστε να βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, αλλά να μην εγκαταλείπει πλήρως την οπή. Σε αντίθεση με τα καλά διερευνημένα μονά εξιτόνια, το τριπλό εξιτόνιο είναι ένα σταθερό είδος που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για μακρόπνοα σχέδια μεταφοράς ενέργειας.

Η απόδοση των φωτοβολταϊκών περιορίζεται ιδιαίτερα από την απώλεια ενέργειας υπό μορφή θερμότητας, γεγονός που θα μπορούσε να ξεπεραστεί με τη νέα μέθοδο των επιστημόνων του Cambridge. Πώς;

Στους οργανικούς ημιαγωγούς, η απορρόφηση ενός φωτονίου οδηγεί στον σχηματισμό δύο ηλεκτρονίων. Αυτά τα ηλεκτρόνια ωστόσο δεν είναι ελεύθερα και είναι δύσκολο να προσδιοριστούν με ακρίβεια, επειδή δεσμεύονται μέσα σε "σκοτεινές" καταστάσεις τριπλών εξιτονίων. Ο νέος μηχανισμός πολλαπλασιασμού είναι χρήσιμος για τη μείωση της θερμικής απώλειας των διεγέρσεων, μέσω της διανομής της ενέργειας τους στα σταθερά τριπλά εξιτόνια. Έτσι, οι βελτιωμένες συσκευές θα αποτελούνται από ένα κανονικό ηλιακό κύτταρο μονής διασταύρωσης, καλυμμένο με φτηνή οργανική επικάλυψη. Οι υψηλής ενέργειας διεγέρσεις χωρίζονται στα δύο στον οργανικό ημιαγωγό και μεταφέρονται στη σιλικόνη.

Το όριο Shockley-Queisser για την αποδότικη μετατροπή ισχύος μιας συμβατικής συσκευής PV είναι περίπου 34%. Τα τρέχοντα ηλιακά κύτταρα σιλικόνης φθάνουν περίπου στο 20%. Η πρόσθεση μιας οικονομικής οργανικής επικάλυψης που κάνει χρήση των “σκοτεινών” εξιτονίων υψώνει το θεμελιώδες όριο που τα υβριδικά ηλιακά κύτταρα μπορούν να φθάσουν στο 46%!

Σύμφωνα με τον εμπειρογνώμονα του Cambridge, η διαδικασία αυτή θα μπορούσε να είναι εύκολο και οικονομικό να ενσωματωθεί στις υπάρχουσες γραμμές κατασκευής ηλιακών κυττάρων ή ακόμα στο στάδιο μετα-κατασκευής. Αυτή τη στιγμή, το φράγμα ανάπτυξης του νέου υπερ-αποδοτικού κυττάρου, είναι η σύζευξη των τριπλών και της σιλικόνης. Η ομάδα έχει εντοπίσει το ζήτημα και εργάζεται γι αυτό, αναμένοντας σύντομα νέα αποτελέσματα.