Samband mellan den teoretiska gränsen för solcellers fotoelektriska omvandlingseffektivitet och den lägsta energin av ljus som kan absorberas av solceller (optisk absorptionskant) när det finns en energiförlust på 0,4 eV under laddningsseparation. Den röda linjen visar den teoretiska gränsen för oorganiska solceller, och den blå linjen visar den nya teoretiska gränsen för organiska solceller.
AIST-forskare har beräknat den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten hos organiska solceller, som har uppmärksammats som en ny generation solceller.
Den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten har varit känd för oorganiska solceller. Genom att modifiera teorin för oorganiska solceller för att ta hänsyn till skillnaderna i mekanismer för att producera laddningar efter ljusabsorption, en teoretisk gräns för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för organiska solceller beräknades. Resultaten förväntas tjäna som vägledning för att förbättra den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten hos organiska solceller. Resultaten publiceras snart i onlineversionen av Bokstäver i tillämpad fysik , en tidskrift från American Institute of Physics.
Organiska solceller är lätta, tunn, och mjuk på grund av egenskaper hos organiska material. De representerar en ny generation solceller som kan generera energi på platser där det tidigare var svårt att installera solceller. Även om materialen i allmänhet är billiga, att förbättra effektiviteten och hållbarheten för fotoelektrisk omvandling har varit tekniskt svårt. Dock, de senaste åren, den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten har snabbt förbättrats, med en omvandlingseffektivitet som överstiger 10 %. Verkningsgraden är lika hög som för amorfa kiselsolceller. Den snabba ökningen av den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten väckte intresse för hur mycket omvandlingseffektiviteten hos organiska solceller kan förbättras. 1961, Shockley och Queisser visade att den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för solceller som består av oorganiska halvledare var ungefär 30 %. Eftersom den faktiska effektiviteten för sådana solceller nu närmar sig detta värde, nyare forsknings- och utvecklingsinsatser för oorganiska solceller fokuserar på att förbättra effektiviteten genom införandet av strukturer som multi-junction solceller och koncentrera solceller som inte beaktades i Shockley och Queissers teori. Under tiden, den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för organiska solceller har snabbt ökat till den nivå där det nu är önskvärt att beräkna en effektivitetsgräns, som Shockley och Queisser gjorde för oorganiska solceller.
Figur 1:Schematiskt diagram över mekanismen för laddningsseparation i en organisk solcell:Ljus absorberas vanligtvis av en organisk molekyl (donator) som tenderar att bilda en positiv jon. En elektron i donatorn bildar en exciton genom ljusabsorptionen. Senare, laddningsseparation inträffar. Som ett resultat, donatorn blir en positiv jon och acceptorn blir en negativ jon. I denna process, elektronen förlorar överskottsenergin som krävs för laddningsseparation (ΔE DA ).
AIST-forskare från olika områden, särskilt från Research Center for Photovoltaic Technologies, har bedrivit tvärvetenskaplig forskning och utveckling för att förbättra effektiviteten och hållbarheten hos organiska solceller; dessa forskare kommer från områdena miljö och energi, Metrologi och mätvetenskap, och nanoteknik, Material och tillverkning. Kommittén för att studera gränsen för organiska solceller, initierad av Leader Yoshida och består av AIST-forskare från olika områden, genomförde denna studie om den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten hos organiska solceller.
Den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten hos en solcell begränsas av faktorer som halvledarens bandgap, spridning som värme, och elektrisk laddningsrekombination. Ljus med mindre energi än bandgapet absorberas inte och bidrar inte till genereringen av elektricitet. Ljus med energi högre än bandgapet blir värme och försvinner, orsakar en spänningsminskning. Om laddningarna som genererades av ljus går förlorade genom rekombination när det når elektroderna, den elektriska strömmen minskar. Alla dessa faktorer minskar solcellens elektriska effekt. Med hänsyn till dessa faktorer, en teoretisk gräns för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten hos oorganiska solceller visades 1961 av Shockley och Queisser ( J. Appl. Phys . vol. 32, s. 510 [1961]).
Figur 2:Förhållandet mellan den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten och det lägsta värdet av ljusenergi som kan absorberas (optisk absorptionskant) av en organisk solcell med flera punkter när överskottsenergin som krävs för laddningsseparation är 0,4 eV. Det antas att två solceller med en skillnad i optisk kantenergi på 0,4 eV är seriekopplade. Den röda linjen representerar den konventionella teoretiska gränsen för oorganiska solceller med en korsning, den blå linjen representerar den teoretiska gränsen för organiska solceller med en korsning, och den svarta linjen representerar den teoretiska gränsen för organiska solceller med flera korsningar.
Den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten beräknades på basis av oorganiska halvledare och ansågs vara ogiltig för organiska solceller. I organiska ämnen, Coulombisk attraktion mellan positiva och negativa laddningar är stark och producerar bundna par som kallas excitoner efter ljusabsorption. Den coulombiska bindningsenergin för excitonerna i organiska ämnen uppskattas vara minst 10 gånger större än den termiska energin vid rumstemperatur. Eftersom laddningsseparationen av excitoner i en enda organisk substans är otillräcklig, en organisk solcell består av två typer av ämnen:ett organiskt ämne som tenderar att bilda positiva joner och ett organiskt ämne som tenderar att bilda negativa joner. I gränsytan mellan dessa ämnen, excitonernas laddningar separeras. Den nuvarande forskningen fokuserade på närvaron av den överskottsenergi som krävs för laddningsseparation i organiska solceller. Metoden enligt Shockley och Queissers teori visar att när överskottsenergin tas med i beräkningen, laddningsrekombinationen ökar, vilket resulterar i spännings- och strömförändringar. Genom att använda Coulomb-interaktion där 1 nm är avståndet mellan de bundna positiva och negativa laddningarna och 3,5 är det allmänna värdet av dielektricitetskonstanten i organiska ämnen, överskottsenergin som krävs för laddningsseparering beräknas till 0,3 till 0,4 eV. Eftersom det finns andra interaktioner, detta värde anses vara minimivärdet. Även om det är grovt uppskattat, det är nästan detsamma som värdet för den minsta överskottsenergin som anges i tidigare rapporter. När den teoretiska gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten beräknades med användning av 0,4 eV som överskottsenergin som krävs för laddningsseparation, det maximala värdet på 21 % erhölls. Våglängden för absorberat ljus vid vilken en organisk solcell uppvisar den högsta effektiviteten har också bestämts som 1,5 eV (våglängd 827 nm) genom teoretiska beräkningar, och det ger en guide för att välja en organisk molekyl som absorberar ljus (främst donator).
Gränsen för den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för organiska solceller med en korsning beräknades teoretiskt till 21 % med användning av 0,4 eV som den överskottsenergi som krävs för laddningsseparering. Detta gränsvärde på 21 % är högre än den nuvarande verkningsgraden på 10 % till 12 %, och det tyder på att ytterligare förbättringar kan förväntas i framtiden som ett resultat av materialval och strukturoptimering. Forskarna avser att avslöja faktorerna för skillnaden mellan den teoretiska gränsen och faktisk effektivitet, och utöka forsknings- och utvecklingsinsatser för att identifiera och lösa problem för ökad effektivitet.
