Relación entre el límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares y la energía mínima de luz que pueden absorber las células solares (borde de absorción óptica) cuando hay una pérdida de energía de 0,4 eV durante la separación de cargas. La línea roja muestra el límite teórico de las células solares inorgánicas, y la línea azul muestra el nuevo límite teórico de las células solares orgánicas.
Los investigadores de AIST han calculado el límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas, que han ganado atención como una nueva generación de células solares.
El límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica se conoce para las células solares inorgánicas. Al modificar la teoría de las células solares inorgánicas para tener en cuenta las diferencias en los mecanismos para producir cargas después de la absorción de la luz, Se calculó un límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas. Se espera que los resultados sirvan como guías para mejorar la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas. Los resultados se publicarán próximamente en la versión en línea de Letras de física aplicada , una revista del Instituto Americano de Física.
Las células solares orgánicas son ligeras, delgada, y suave debido a las características de los materiales orgánicos. Representan una nueva generación de células solares capaces de generar energía en lugares donde antes era difícil instalar células solares. Aunque los materiales son generalmente económicos, mejorar la eficiencia y la durabilidad de la conversión fotoeléctrica ha sido técnicamente difícil. Sin embargo, en años recientes, la eficiencia de conversión fotoeléctrica ha mejorado rápidamente, con una eficiencia de conversión superior al 10%. La eficiencia es tan alta como la de las células solares de silicio amorfo. El rápido aumento de la eficiencia de conversión fotoeléctrica despertó interés en cuanto a cuánto se puede mejorar la eficiencia de conversión de las células solares orgánicas. En 1961, Shockley y Queisser demostraron que el límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica para las células solares que comprenden semiconductores inorgánicos era aproximadamente del 30%. Dado que la eficiencia real de dichas células solares se acerca ahora a este valor, Los esfuerzos recientes de investigación y desarrollo de células solares inorgánicas se centran en mejorar la eficiencia mediante la introducción de estructuras como células solares de unión múltiple y células solares de concentración que no se consideraron en la teoría de Shockley y Queisser. Mientras tanto, la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas ha aumentado rápidamente hasta el nivel en el que ahora es deseable calcular un límite de eficiencia, como hicieron Shockley y Queisser con las células solares inorgánicas.
Figura 1:Diagrama esquemático del mecanismo de separación de cargas en una célula solar orgánica:la luz suele ser absorbida por una molécula orgánica (donante) que tiende a formar un ión positivo. Un electrón en el donante forma un excitón por absorción de luz. Después, se produce la separación de carga. Como resultado, el donante se convierte en un ion positivo y el aceptor se convierte en un ion negativo. En este proceso, el electrón pierde el exceso de energía necesaria para la separación de cargas (ΔE DA ).
Investigadores AIST de diversos campos, particularmente del Centro de Investigación de Tecnologías Fotovoltaicas, ha realizado investigación y desarrollo interdisciplinario para mejorar la eficiencia y durabilidad de las células solares orgánicas; estos investigadores son de los campos de Medio Ambiente y Energía, Metrología y ciencia de la medición, y Nanotecnología, Materiales y Fabricación. El Comité para el Estudio del Límite de Células Solares Orgánicas, iniciado por Leader Yoshida y formado por investigadores de AIST de diversos campos, realizó este estudio sobre el límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas.
La eficiencia de conversión fotoeléctrica de una celda solar está limitada por factores como la banda prohibida del semiconductor, disipación como calor, y recombinación de carga eléctrica. La luz con energía menor que la banda prohibida no se absorbe y no contribuye a la generación de electricidad. La luz con energía superior a la banda prohibida se convierte en calor y se disipa, causando una disminución en el voltaje. Si las cargas generadas por la luz se pierden por recombinación cuando llega a los electrodos, la corriente eléctrica se reduce. Todos estos factores disminuyen la potencia eléctrica de la célula solar. Teniendo en cuenta estos factores, Un límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares inorgánicas fue mostrado en 1961 por Shockley y Queisser ( J. Appl. Phys . vol. 32, p. 510 [1961]).
Figura 2:Relación entre el límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica y el valor mínimo de energía luminosa que puede ser absorbida (borde de absorción óptica) por una célula solar orgánica de unión múltiple cuando el exceso de energía requerida para la separación de carga es de 0,4 eV. Se supone que dos células solares con una diferencia de energía de borde óptico de 0,4 eV están conectadas en serie. La línea roja representa el límite teórico convencional de las células solares inorgánicas de unión única, la línea azul representa el límite teórico de las células solares orgánicas de unión única, y la línea negra representa el límite teórico de las células solares orgánicas de unión múltiple.
El límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica se calculó sobre la base de semiconductores inorgánicos y se creyó que no era válido para las células solares orgánicas. En sustancias orgánicas, La atracción coulombica entre cargas positivas y negativas es fuerte y produce pares ligados llamados excitones después de la absorción de luz. Se estima que la energía de enlace Coulombic de los excitones en sustancias orgánicas es al menos 10 veces mayor que la energía térmica a temperatura ambiente. Debido a que la separación de carga de los excitones en una sola sustancia orgánica es insuficiente, una célula solar orgánica comprende dos tipos de sustancias:una sustancia orgánica que tiende a formar iones positivos y una sustancia orgánica que tiende a formar iones negativos. En la interfaz entre estas sustancias, las cargas de los excitones están separadas. La presente investigación se centró en la presencia del exceso de energía necesaria para la separación de cargas en las células solares orgánicas. El método de la teoría de Shockley y Queisser muestra que cuando se tiene en cuenta el exceso de energía, la tasa de recombinación de carga aumenta, resultando en cambios de voltaje y corriente. Utilizando la interacción de Coulomb en la que 1 nm es la distancia entre las cargas unidas positivas y negativas y 3,5 es el valor general de la constante dieléctrica en sustancias orgánicas, se calcula que el exceso de energía necesaria para la separación de cargas es de 0,3 a 0,4 eV. Porque hay otras interacciones, este valor se considera el valor mínimo. Aunque se estima aproximadamente, es casi el mismo que el valor del exceso de energía mínimo dado en informes anteriores. Cuando se calculó el límite teórico de la eficiencia de conversión fotoeléctrica usando 0.4 eV como el exceso de energía requerida para la separación de carga, se obtuvo el valor máximo del 21%. La longitud de onda de la luz absorbida a la que una célula solar orgánica demuestra la mayor eficiencia también se ha determinado como 1,5 eV (longitud de onda de 827 nm) mediante cálculos teóricos. y proporciona una guía para seleccionar una molécula orgánica que absorba luz (principalmente donante).
El límite de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas de unión simple se calculó teóricamente en 21% utilizando 0,4 eV como el exceso de energía necesaria para la separación de cargas. Este valor límite del 21% es superior a la eficiencia actual del 10% al 12%, y sugiere que se pueden esperar más mejoras en el futuro como resultado de la selección de materiales y la optimización de la estructura. Los investigadores tienen la intención de descubrir los factores de la diferencia entre el límite teórico y la eficiencia real, y ampliar los esfuerzos de investigación y desarrollo para identificar y resolver problemas para aumentar la eficiencia.
