Οργανικά χρώματα επιταχύνουν τη μεταφορά αποθηκευμένης ηλιακής ενέργειας. Ο ήλιος παρέχει τεράστιες ποσότητες ενέργειας στη Γη, αλλά οι ηλιακοί συλλέκτες πάντα χάνουν κάποιο ποσοστό αυτής της ενέργειας. Αυτό αποτελεί εμπόδιο στη χρήση οργανικών ηλιακών κυττάρων, ειδικά για αυτά που είναι εφικτά για καινοτόμες εφαρμογές.
Ένα κρίσιμο στοιχείο για τη βελτίωση της απόδοσής τους είναι η βελτίωση της μεταφοράς της ηλιακής ενέργειας που συσσωρεύεται στο υλικό. Μια ομάδα ερευνητών στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου (TUM) έχει δείξει τώρα ότι ορισμένα οργανικά χρώματα μπορούν να βοηθήσουν στη δημιουργία εικονικών αυτοκινητοδρόμων για την ενέργεια.
Τα οργανικά ηλιακά κύτταρα είναι ελαφριά, εξαιρετικά λεπτοί συλλέκτες ενέργειας και ως ευέλικτη επίστρωση ταιριάζουν τέλεια σε σχεδόν οποιαδήποτε επιφάνεια: Οι ηλιακοί κύτταροι βασισμένοι σε οργανικούς ημιαγωγούς ανοίγουν ένα εύρος πιθανοτήτων εφαρμογών, όπως για παράδειγμα ως ηλιακά πάνελ και μεμβράνες που μπορούν να αναδιπλούνται, ή για χρήση σε έξυπνες συσκευές.
Ωστόσο, ένα από τα μειονεκτήματα σε πολλές εφαρμογές είναι η σχετικά φτωχή μεταφορά της ενέργειας που συλλέγεται μέσα στο υλικό. Οι ερευνητές εξετάζουν τις στοιχειώδεις διαδικασίες μεταφοράς των οργανικών ηλιακών κυττάρων για να βρουν τρόπους βελτίωσης αυτής της μεταφοράς.
Επαγωγή ηλιακού φωτός
Ένας από αυτούς τους ερευνητές είναι ο Frank Ortmann, Καθηγητής Θεωρητικών Μεθόδων στην Φωτοσπεκτροσκοπία στο TUM. Αυτός και οι συνεργάτες του από τη Δρέσδη επικεντρώνονται περισσότερο από οτιδήποτε άλλο στον αμοιβαίο αλληλεπίδραση μεταξύ του φωτός και του υλικού – ιδιαίτερα στη συμπεριφορά των λεγόμενων εξάιτον.
“Τα εξάιτον είναι κάτι σαν το καύσιμο του ήλιου, το οποίο πρέπει να χρησιμοποιείται με τον βέλτιστο τρόπο,” εξηγεί ο Ortmann, ο οποίος είναι επίσης μέλος του Εκλεκτού Συνόλου “e-conversion”. “Όταν η ενέργεια του φωτός στη μορφή ενός φωτονίου συγκρούεται με το υλικό ενός ηλιακού κυττάρου, απορροφάται και αποθηκεύεται ως κατάσταση ενθουσιασμού. Αυτή η ενδιάμεση κατάσταση αναφέρεται ως εξάιτον.”
Αυτά τα φορτία δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρική ενέργεια μέχρις ότου φτάσουν σε μια ειδικά σχεδιασμένη διασύνδεση. Ο Ortmann και η ομάδα του έχουν δείξει τώρα ότι μπορούν να δημιουργηθούν αυτοί που αποκαλούνται εθνικοί αυτοκινητόδρομοι μεταφοράς εξάιτον χρησιμοποιώντας οργανικά χρώματα.
Το λόγο που είναι τόσο σημαντικό για τα εξάιτον να φτάσουν σε αυτήν τη διασύνδεση το συντομότερο δυνατόν έχει να κάνει με τη σύντομη διάρκειά τους. “Όσο ταχύτερη και πιο στοχευμένη είναι η μεταφορά, τόσο υψηλότερη η απόδοση ενέργειας και, συνεπώς, η υψηλότερη απόδοση του ηλιακού κυττάρου,” λέει ο Ortmann.
Οι μόρια των οργανικών χρωμάτων, που αναφέρονται ως κινοειδή μεροκυανίνες, καθιστούν αυτό δυνατό χάρη στη χημική τους δομή και την εξαιρετική τους ικανότητα να απορροφούν το ορατό φως. Συνεπώς, είναι κατάλληλα και για χρήση ως ενεργό στρώμα σε έναν οργανικό ηλιακό κύτταρο, εξηγεί ο Ortmann.
Ενεργειακά πακέτα στη γρήγορη λωρίδα
Με τη χρήση φασματοσκοπικών μετρήσεων και μοντέλων, οι ερευνητές ήταν σε θέση να παρατηρήσουν τα εξάιτον που αγωνίζονται μέσα από τα μόρια των χρωμάτων. “Η τιμή των 1,33 ηλεκτρονοβολτ που παρέχει το σχέδιό μας είναι πολύ πάνω από τις τιμές που βρέθηκαν σε οργανικούς ημιαγωγούς – θα μπορούσε κανείς να πει ότι τα οργανικά μόρια των χρωμάτων δημιουργούν μια είδους υπερ-λεωφόρο,” προσθέτει ο Ortmann.
Αυτά τα βασικά νέα ευρήματα μπορούν να ανοίξουν το δρόμο για στοχευμένη, πιο αποδοτική μεταφορά εξάιτον σε οργανικά στερεά υλικά, επιταχύνοντας την ανάπτυξη οργανικών ηλιακών κυττάρων και οργανικών διόδων φωτός με ακόμα υψηλότερη απόδοση.
