Az organikus napelemeket évek óta a fotovoltaikus iparág egyik legígéretesebb jövőbeli technológiájaként tartják számon. Bár hatásfokuk jelenleg még elmarad a hagyományos kristályos szilícium napelemekétől, olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek új alkalmazási területeket nyithatnak meg az energiatermelésben.
A Hongkongi Városi Egyetem (CityUHK) kutatói most új mérföldkőről számoltak be: egy fejlesztésüknek köszönhetően 20,5%-os hitelesített energiaátalakítási hatásfokot értek el organikus napelemmel, miközben laboratóriumi körülmények között már 21% feletti hatásfokot is mértek.
Mik azok az organikus napelemek?
A ma telepített napelemes rendszerek döntő többsége kristályos szilíciumcellákból készül. Az organikus napelemek ezzel szemben szénalapú félvezető anyagokat használnak a napfény elektromos energiává alakítására.
Ez számos előnyt kínál:
- rendkívül vékony kialakítás;
- kis tömeg;
- hajlítható kivitel;
- akár áttetsző felület;
- potenciálisan olcsóbb gyártás nagy sorozatban.
Éppen ezért az organikus napelemeket elsősorban olyan alkalmazásokhoz fejlesztik, ahol a hagyományos üveg-modulok nem használhatók, például:
- intelligens ablakok,
- homlokzatok,
- járművek,
- hordható elektronikai eszközök,
- könnyűszerkezetes építmények.
Jelenleg azonban tartósságuk és hatásfokuk még elmarad a szilícium alapú technológiákétól, ezért világszerte intenzív kutatások folynak ezek javítására.
A legnagyobb kihívás: az energiaveszteség csökkentése
Az organikus napelemek működése során a beérkező fény hatására úgynevezett excitonok keletkeznek. Ezekből kell szabad elektronokat létrehozni ahhoz, hogy elektromos áram termelődjön.
A folyamat egyik legnagyobb veszteségforrását a spin-triplet excitonok jelentik. Ezek hosszú ideig csapdába esnek a szerkezetben, így energiájuk többnyire hővé alakul, ahelyett hogy villamos energiává hasznosulna.
A CityUHK kutatóinak új megoldása
A kutatócsoport olyan eljárást dolgozott ki, amely a korábban elvesző triplet excitonokat ismét szabad elektronokká és lyukakká alakítja.
Ennek köszönhetően:
- nő a hasznosítható töltéshordozók száma;
- javul a fotóáram;
- miközben a cella feszültsége nem csökken.
A fejlesztéshez egy FTh-4F nevű, nem fullerén alapú elektronakceptort alkalmaztak, amely kiváló infravörös fényelnyeléssel és alacsony energiaveszteséggel rendelkezik.
Már 21% felett járnak a laboratóriumban
A kutatók szerint a módszerrel 20,5%-os hitelesített hatásfokot értek el, a további laboratóriumi fejlesztések során pedig már 21% feletti energiaátalakítási hatásfokot is sikerült elérni.
A fejlesztés során az elektronakceptor szerkezetét is optimalizálták, amellyel tovább csökkentették az energiaveszteséget és még hatékonyabbá tették a töltéshordozók képződését.
Mit jelent ez a gyakorlatban?
A kutatás még nem jelenti azt, hogy néhány éven belül az organikus napelemek leváltják a szilícium modulokat. A kristályos technológia továbbra is magasabb hatásfokkal és lényegesen hosszabb élettartammal rendelkezik.
Az eredmény ugyanakkor azt mutatja, hogy az organikus fotovoltaika egyik legfontosabb korlátját sikerült csökkenteni. Ez közelebb viheti a technológiát azokhoz az alkalmazásokhoz, ahol a kis tömeg, a rugalmasság vagy az áttetszőség fontosabb szempont, mint a maximális teljesítmény.
Összegzés
Az organikus napelemek fejlesztése újabb jelentős állomásához érkezett. A CityUHK kutatói egy új eljárással képesek voltak visszanyerni a korábban elvesző energiát, amellyel 20,5%-os hitelesített, illetve 21% feletti laboratóriumi hatásfokot értek el.
Bár a technológia még kutatási fázisban van, az eredmények jól mutatják, hogy az organikus fotovoltaika fejlődése tovább gyorsul, és hosszabb távon új alkalmazási területeket nyithat a napenergia hasznosításában.
