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Le celle solari ibride hanno applicazioni nell'elettronica flessibile e nei dispositivi portatili
Nov 03, 2018

Comprendere l'impatto dei difetti superficiali è alla base dell'efficienza migliorata delle celle solari ibride organiche / inorganiche.

               Le celle solari ibride utilizzano un'interfaccia comprendente strati di materiali organici e inorganici per convertire la luce solare in elettricità. L'ossido di zinco (ZnO) è una scelta popolare per il materiale inorganico perché è economico, non tossico e facilmente reperibile.

Tuttavia, l'efficienza di conversione delle celle solari ibride che utilizzano eterogiunzioni bulk di ZnO / donatore organico è attualmente molto bassa - solo il 2% quando ZnO viene miscelato in un materiale donatore organico. D'altra parte, è stata raggiunta una decente efficienza del 6,1 percento quando ZnO viene usato come uno strato inserito tra un elettrodo e uno strato di polimeri o accettori di piccole molecole.

Jean-Luc Bredas del KAUST Solar & Photovoltaics Engineering Research Center e il collega Hong Li sospettano che i difetti intrinseci di ZnO siano un fattore chiave nelle scarse prestazioni. Confrontando le differenze nelle proprietà elettroniche tra i vari materiali ibridi, hanno concluso che le offerte di zinco riducono l'efficienza di conversione ostacolando il processo di separazione della carica all'interfaccia tra i materiali organici e inorganici.

È noto che ZnO adotta ruoli diversi nelle eterogiunzioni di massa a seconda del tipo di materiale organico e dell'architettura utilizzata. Quando miscelato con un polimero o donatori di piccole molecole come il sexithienyl, ZnO assume il ruolo di un accettore di elettroni: accetta o "accetta" elettroni e lascia i buchi caricati positivamente dietro in uno strato sessitienile.

Quando inserito tra un elettrodo e uno strato di accettore fullerene, ZnO aiuta a trasferire gli elettroni dallo strato di fullerene all'elettrodo. Questi processi consentono l'efficiente conversione della luce solare in elettricità.

I ricercatori hanno usato simulazioni al computer per esaminare come le offerte di zinco sulla superficie dell'ossido di zinco influiscano su questi due processi. Per l'eterogiunzione di massa ZnO / sexithienyl, i posti vacanti di zinco sulla superficie di ZnO possono ostacolare il trasferimento di carica locale all'interfaccia ZnO / sexithienyl e possono anche impedire un'efficiente separazione di carica a causa delle forti interazioni di Coulomb. Tuttavia, per l'interfaccia ZnO / fullerene, tali posti vacanti non hanno un impatto significativo sul processo di trasferimento della carica.

Per queste ragioni, le eterogiunzioni organiche ZnO / sviluppate finora sono inefficienti. In confronto, tuttavia, le offerte di zinco hanno un impatto negativo significativamente maggiore su ZnO / sexithienyl rispetto alle interfacce ZnO / fullerene. I risultati hanno importanti implicazioni per lo sviluppo di celle solari ibride, che hanno applicazioni nell'elettronica flessibile e nei dispositivi portatili.

"Ciò che abbiamo appreso dalle nostre indagini è in che misura i difetti sulla superficie di ossidi metallici conduttori come ZnO determinano le proprietà elettroniche complessive e, in definitiva, l'efficienza del dispositivo", ha osservato Bredas. Ha suggerito che i risultati indicano possibili modi per migliorare l'efficienza delle celle solari attraverso modifiche superficiali.

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