I ricercatori della Hong Kong Polytechnic University (PolyU) hanno raggiunto una rivoluzionaria efficienza di conversione di potenza (PCE) del 19,31% con celle solari organiche (OSC), note anche come celle solari polimeriche. Questa notevole efficienza dell’OSC binario contribuirà a migliorare le applicazioni di questi dispositivi avanzati di energia solare.
Il PCE (Efficienza di conversione della potenza), una misura della potenza generata da un dato irraggiamento solare, è considerato un punto di riferimento significativo per le prestazioni del fotovoltaico (PV), o pannelli solari, nella generazione di energia. L’efficienza migliorata di oltre il 19% raggiunta dai ricercatori PolyU costituisce un record per gli OSC binari, che hanno un donatore e un accettore nello strato fotoattivo.
Guidato dal Prof. LI Gang, professore ordinario di tecnologia di conversione dell’energia e Sir Sze-Yen Chung Endowed Professor in Renewable Energy presso PolyU, il team di ricerca ha inventato una nuova tecnica di regolazione della morfologia dell’OSC utilizzando l’1,3,5-triclorobenzene come cristallizzazione regolatore. Questa nuova tecnica aumenta l’efficienza e la stabilità dell’OSC.
Il team ha sviluppato una strategia di manipolazione dello stato intermedio (ISM) non monotona per manipolare la morfologia dell’OSC con eterogiunzione di massa (BHJ), che ottimizza contemporaneamente le dinamiche di cristallizzazione e la perdita di energia delle OSC non fullereniche. A differenza della strategia dell’utilizzo di additivi solventi tradizionali, che si basa su un’eccessiva aggregazione molecolare nei film, la strategia ISM promuove la formazione di un impilamento molecolare più ordinato e un’aggregazione molecolare favorevole. Di conseguenza, il PCE è stato notevolmente aumentato e la perdita di ricombinazione non radiativa indesiderata è stata ridotta. In particolare, la ricombinazione non radiativa riduce l’efficienza di generazione della luce e aumenta la perdita di calore.
I risultati del team di ricerca sono descritti nello studio “19,3% Binary Organic Solar Cell and Low Non-Radiative Recombination Enabled by Non-Monotonic Intermediate State Transition” pubblicato su Nature Communications. La conversione dell’energia solare in elettricità è una tecnologia essenziale per raggiungere un ambiente sostenibile. Sebbene gli OSC siano dispositivi promettenti che sfruttano l’energia solare in modo conveniente, la loro efficienza deve essere migliorata se devono essere ampiamente utilizzati nelle applicazioni pratiche.
Le celle solari organiche basate su accettori non fullerenici rappresentano la frontiera della ricerca nel campo del fotovoltaico organico per le innovazioni sia nella manipolazione dei materiali che nella manipolazione della morfologia. Tuttavia, la soppressione della perdita di ricombinazione non radiativa e l’aumento delle prestazioni sono al centro della ricerca sulle cellule organiche.
Il prof. Li ha affermato: “Le sfide nella ricerca sono arrivate dai metodi di controllo della morfologia di riferimento basati su additivi esistenti, che soffrono di perdita di ricombinazione non radiativa, abbassando così la tensione del circuito aperto a causa dell’eccessiva aggregazione”. Il team di ricerca ha impiegato circa due anni per ideare una strategia ISM non monotona per aumentare l’efficienza dell’OSC e ridurre la perdita di ricombinazione non radiativa. La pubblicazione dello studio promette di galvanizzare la ricerca dell’OSC.
Il prof. Li ha dichiarato: “La nuova scoperta renderà la ricerca OSC un campo entusiasmante, e questo creerà probabilmente enormi opportunità in applicazioni come l’elettronica portatile e i fotovoltaici integrati negli edifici”. La nuova porta si aprirà quando gli OSC a giunzione singola a basso costo potranno raggiungere un PCE superiore al 20%, insieme a prestazioni più stabili e altri vantaggi unici come flessibilità, trasparenza, elasticità, peso ridotto e colore regolabile.
Il Prof. Li è stato riconosciuto come ricercatore altamente citato per 9 anni consecutivi dal 2014, il che testimonia il suo impatto significativo sulla ricerca globale. I suoi contributi pionieristici alla ricerca sulle celle solari polimeriche dal 2005 hanno portato un’influenza sostenibile sullo sviluppo dell’energia solare stampabile con riconoscimento globale.
Alla base della ricerca sul campo OPV, lo studio del Prof LI intitolato “Celle fotovoltaiche polimeriche processabili in soluzione ad alta efficienza mediante l’auto-organizzazione di miscele polimeriche”, è stato pubblicato su Nature Materials nel 2005. Questo ha rappresentato la svolta della ricerca di prima generazione di OPV che ha alimentato la tecnologia solare da questo studio di frontiera.
Nel 2010, lo studio del Prof LI intitolato “For the Bright Future — Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells with Power Conversion Efficiency of 7.4%” è stato pubblicato su Materiale avanzato.
Il Prof. Li ha dichiarato: “L’ultimo studio mostra una perdita di ricombinazione non radiativa minima di 0,168 eV in un OSC binario con un PCE superiore al 19%. Questo è un risultato molto incoraggiante per la ricerca di lunga data sugli OSC che ho condotti negli ultimi due decenni. Abbiamo già raggiunto una migliore efficienza OSC e questo contribuirà successivamente ad accelerare le applicazioni dell’energia solare”.
Riferimenti: Nature Materials 4, 864-868 (2005). Celle fotovoltaiche polimeriche lavorabili in soluzione ad alta efficienza mediante auto-organizzazione di miscele polimeriche. Materiali avanzati vol. 22, numero 20 (2010). Per il brillante futuro — Celle solari polimeriche a eterogiunzione sfuse con un’efficienza di conversione di potenza del 7,4%.
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