Tanie panele słoneczne nadchodzą? Wskazali brakujące ogniwo w… ogniwach organicznych

Czasami największe przełomy naukowe dokonują się w zupełnej ciszy i z dala od medialnego szumu. Właśnie tak może być w przypadku najnowszego odkrycia dotyczącego organicznej fotowoltaiki, które wprawdzie jest technicznie skomplikowane, ale może mieć bardzo praktyczne konsekwencje dla przyszłości energii słonecznej. Tak się bowiem składa, że grupa badaczy z Beijing University of Chemical Technology i University of Massachusetts Amherst opracowała innowacyjne materiały polimerowe, które rozwiązują jeden z fundamentalnych problemów organicznych ogniw słonecznych. Chodzi o defekty w warstwach transportujących ładunek, które do tej pory znacząco ograniczały wydajność tej technologii.

Z laboratoriów do rękawów, czyli fotowoltaika, która lubi się zginać

Organiczne ogniwa od lat borykały się z problemem niedoskonałości w cienkich warstwach z tlenku cynku. Te mikroskopijne wady działały jak pułapki dla elektronów, znacznie obniżając sprawność całego urządzenia. Dotychczasowe próby radzenia sobie z tym problemem (poprzez wprowadzanie metali, cząsteczek organicznych czy innych polimerów) przynosiły jedynie ograniczone efekty. Oto jednak amerykańsko-chiński zespół poszedł zupełnie nową drogą, tworząc dwa specjalne polimery zwitterionowe oznaczone jako BZ i CZ. Ich mechanizm działania jest naprawdę ciekawy, bo składniki zwitterionowe skutecznie neutralizują defekty tlenku cynku, co znacząco poprawia właściwości elektryczne i ułatwia transport ładunku. Dodatkowo zawarte w nich jednostki naftalenodiimidowe pochłaniają szkodliwe promieniowanie UV, naturalnie chroniąc warstwy aktywne przed degradacją.

Czytaj też: Niczym turbosprężarka dla elektrycznych samochodów. Koniec z ograniczeniami

Kiedy naukowcy przetestowali swoje rozwiązanie w rzeczywistych ogniwach słonecznych, wyniki okazały się bardziej niż obiecujące. Urządzenia z modyfikowanymi warstwami osiągnęły sprawność konwersji mocy na poziomie bliskim 18 procent, co stanowi znaczący postęp w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami. Równie imponująco wypadły testy stabilności, bo po 800 godzinach pracy ogniwa zachowały 90 procent początkowej wydajności, a gdyby tego było mało, parametry techniczne również uległy wyraźnej poprawie. Patrząc na te liczby, trudno nie dostrzec potencjału takiej technologii, a to szczególnie w kontekście elastycznej i noszonej elektroniki. Polimery zwitterionowe modyfikujące tlenek cynku łączą w sobie trwałość mechaniczną ze stabilną wydajnością elektryczną, co jest kluczowe dla urządzeń mających bezpośredni kontakt z ciałem człowieka.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Wearable Electronics, co dobitnie wskazuje na kierunek, w którym może podążać ta technologia. Modyfikacja zwitterionami polimerowymi może stać się standardową strategią rozwoju wysokowydajnych warstw transportujących w fotowoltaice organicznej. Najciekawsze w tej historii jest zresztą to, że z pozoru chemiczny detal przekłada się na odczuwalny skok użyteczności. Zwitterionowe polimery BZ i CZ nie tylko usuwają pułapki elektronowe w warstwie tlenku cynku, ale też działają jak filtr UV i bufor przeciw degradacji, więc cały stos generuje mniej problemów przy długotrwałej ekspozycji na światło i ciepło.

Czytaj też: Dom i auto z jednej skrzynki. Nowy system jednocześnie grzeje i ładuje

Taka poprawa dla producenta oznacza mniejszą rozbieżność parametrów między partiami i większe szanse, że moduł z linii A i moduł z linii B będą się zachowywać podobnie w realnym świecie. Z kolei dla użytkownika noszonej elektroniki czy inteligentnych tekstyliów oznacza to zaś, że wyświetlacz na rękawie albo czujnik w koszulce po 6 miesiącach nie będzie świecił o pół tonu słabiej tylko dlatego, że warstwa transportująca zaczęła łapać defekty. Skok sprawności do okolic 18 procent nie czyni jeszcze z organicznej fotowoltaiki następcy krzemu, ale w lekkich, zginanych i warstwowych zastosowaniach trudno o lepszy wybór.

Czytaj też: Wycięli las, zainstalowali panele słoneczne i wywołali burzę. To może spotkać każdego z nas

Przejście od laboratoryjnych sukcesów do komercjalizacji zawsze jest jednak wyzwaniem, a organiczna fotowoltaika ma za sobą historię obietnic, które nie do końca się spełniły. Niemniej samo odkrycie chińsko-amerykańskiego zespołu rzeczywiście otwiera nowe możliwości dla całej branży. Są więc szanse, że organiczne ogniwa słoneczne, dotąd postrzegane jako technologia niszowa, w końcu staną się realną alternatywą dla konwencjonalnych rozwiązań krzemowych, a to szczególnie tam, gdzie liczy się elastyczność i lekkość.