Cella solare organica

Una cella solare organica o una cella solare di plastica è un tipo di fotovoltaico che utilizza l’elettronica organica, una branca dell’elettronica che si occupa di polimeri conduttivi organici o piccole molecole organiche, per assorbimento luminoso e trasporto di carica per produrre elettricità dalla luce solare mediante l’effetto fotovoltaico. La maggior parte delle celle fotovoltaiche organiche sono celle solari polimeriche.

Le molecole utilizzate nelle celle solari organiche sono processabili in soluzione ad alta produttività e sono economiche, con conseguenti bassi costi di produzione per fabbricare un grande volume. In combinazione con la flessibilità delle molecole organiche, le celle solari organiche sono potenzialmente convenienti per le applicazioni fotovoltaiche. L’ingegneria molecolare (ad esempio la modifica della lunghezza e del gruppo funzionale di polimeri) può modificare il gap di banda, consentendo la sintonizzazione elettronica. Il coefficiente di assorbimento ottico delle molecole organiche è elevato, quindi una grande quantità di luce può essere assorbita con una piccola quantità di materiali, di solito dell’ordine di centinaia di nanometri. I principali svantaggi associati alle celle fotovoltaiche organiche sono bassa efficienza, bassa stabilità e bassa resistenza rispetto alle celle fotovoltaiche inorganiche come le celle solari al silicio.

Rispetto ai dispositivi basati sul silicio, le celle solari polimeriche sono leggere (importante per i sensori autonomi di piccole dimensioni), potenzialmente monouso e poco costose da fabbricare (a volte usando elettronica stampata), flessibili, personalizzabili a livello molecolare e potenzialmente meno dannose per l’ambiente. Le celle solari polimeriche hanno anche il potenziale per mostrare trasparenza, suggerendo applicazioni in finestre, pareti, elettronica flessibile, ecc. Un esempio di dispositivo è mostrato in Fig. 1. Gli svantaggi delle celle solari polimeriche sono anche gravi: offrono circa 1/3 di l’efficienza dei materiali duri, e sperimentare una degradazione fotochimica sostanziale.

I problemi di inefficienza e stabilità delle celle solari dei polimeri, uniti alla promessa di costi bassi e maggiore efficienza, li hanno resi un campo popolare nella ricerca sulle celle solari. A partire dal 2015, le celle solari polimeriche sono state in grado di ottenere un’efficienza superiore al 10% tramite una struttura tandem.

Fisica
Una cella fotovoltaica è un diodo a semiconduttore specializzato che converte la luce in elettricità a corrente continua (CC). A seconda del gap di banda del materiale che assorbe la luce, le celle fotovoltaiche possono anche convertire fotoni a bassa energia, infrarossi (IR) o ad alta energia, ultravioletti (UV) in elettricità DC. Una caratteristica comune sia delle piccole molecole che dei polimeri utilizzati come materiale di assorbimento della luce nel fotovoltaico è che tutti hanno grandi sistemi coniugati. Si forma un sistema coniugato dove gli atomi di carbonio si legano covalentemente con alternanza di legami singoli e doppi. Gli orbitali di questi orbitali di questi idrocarburi sono delocalizzati e formano un orbitale delocalizzato π con un orbitale antibonding π *. L’orbitale π delocalizzato è il più alto orbitale molecolare occupato (HOMO) e l’orbitale π * è il più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO). Nella fisica dei semiconduttori organici, l’HOMO assume il ruolo della banda di valenza mentre il LUMO funge da banda di conduzione. La separazione di energia tra i livelli di energia HOMO e LUMO è considerata la banda proibita dei materiali elettronici organici ed è tipicamente nell’intervallo 1-4 eV.

Tutta la luce con energia maggiore della banda proibita del materiale può essere assorbita, sebbene vi sia un compromesso per ridurre il gap di banda in quanto i fotoni assorbiti con energie superiori al gap di banda emetteranno termicamente la sua energia in eccesso, risultando in tensioni più basse e l’efficienza della conversione di potenza. Quando questi materiali assorbono un fotone, uno stato eccitato viene creato e confinato in una molecola o in una regione di una catena polimerica. Lo stato eccitato può essere considerato come un eccitone, o una coppia di elettroni-fori legati insieme da interazioni elettrostatiche. Nelle celle fotovoltaiche, gli eccitoni sono suddivisi in coppie di elettroni liberi con campi efficaci. I campi effettivi vengono impostati creando una eterogiunzione tra due materiali dissimili. Nel fotovoltaico organico, i campi effettivi rompono gli eccitoni facendo cadere l’elettrone dalla banda di conduzione dell’assorbitore alla banda di conduzione della molecola accettrice. È necessario che il materiale accettore abbia un bordo di banda di conduzione inferiore a quello del materiale assorbitore.

Le celle solari polimeriche di solito sono costituite da uno strato di blocco di elettroni o fori su un vetro conduttivo di ossido di indio-stagno (ITO) seguito da donatore di elettroni e un accettore di elettroni (nel caso di celle solari eterogiunzione di massa), un buco o blocco di elettroni strato e elettrodo metallico in cima. La natura e l’ordine degli strati di bloccaggio, nonché la natura dell’elettrodo metallico, dipendono dal fatto che la cella segua un’architettura di dispositivo normale o invertita. In una cella invertita, le cariche elettriche escono dal dispositivo nella direzione opposta rispetto a un dispositivo normale perché gli elettrodi positivi e negativi sono invertiti. Le cellule invertite possono utilizzare catodi su un materiale più adatto; Gli OPV invertiti godono di una vita più lunga rispetto agli OPV strutturati regolarmente, ma in genere non raggiungono efficienze alte quanto i normali OPV.

Nelle celle solari polimeriche eterogiunzione di massa, la luce genera eccitoni. La successiva separazione di carica nell’interfaccia tra un donatore di elettroni e un accettore si fonde all’interno dello strato attivo del dispositivo. Queste cariche quindi vengono trasportate agli elettrodi del dispositivo dove le cariche fluiscono all’esterno della cella, eseguono il lavoro e quindi rientrano nel dispositivo sul lato opposto. L’efficienza della cellula è limitata da diversi fattori, in particolare la ricombinazione non geminata. La mobilità del foro porta a una conduzione più rapida attraverso il livello attivo.

Il fotovoltaico organico è costituito da materiali donatori di elettroni e accettore di elettroni piuttosto che da giunzioni p-n di semiconduttori. Le molecole che formano la regione di donatore di elettroni di cellule PV organiche, in cui vengono generate coppie di elettroni-fori di eccitoni, sono generalmente polimeri coniugati in possesso di elettroni π delocalizzati che risultano dall’ibridazione orbitale del carbonio p. Questi elettroni π possono essere eccitati dalla luce nella o vicino alla parte visibile dello spettro dall’orbitale molecolare occupato più alto della molecola (HOMO) al più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO), denotato da una transizione π -π *. L’energia bandgap tra questi orbitali determina quale lunghezza d’onda della luce può essere assorbita.

A differenza di un materiale di cellule fotovoltaiche inorganiche cristalline, con la sua struttura a bande e gli elettroni delocalizzati, gli eccitoni del fotovoltaico organico sono fortemente legati con un’energia compresa tra 0,1 e 1,4 eV. Questo forte legame si verifica perché le funzioni dell’onda elettronica nelle molecole organiche sono più localizzate e l’attrazione elettrostatica può quindi mantenere l’elettrone e il buco insieme come un eccitone. L’elettrone e il buco possono essere dissociati fornendo un’interfaccia attraverso la quale diminuisce il potenziale chimico degli elettroni. Il materiale che assorbe il fotone è il donatore e il materiale che acquisisce l’elettrone è chiamato accettore. In Fig. 2, la catena polimerica è il donatore e il fullerene è l’accettore. Anche dopo la dissociazione, l’elettrone e il buco possono ancora essere uniti come una “coppia geminata” e quindi è necessario un campo elettrico per separarli. L’elettrone e il foro devono essere raccolti ai contatti. Se la mobilità del portatore di carica è insufficiente, i vettori non raggiungeranno i contatti e ricombineranno invece nei siti di trappole o rimarranno nel dispositivo come spese spaziali indesiderate che si oppongono al flusso di nuovi vettori. Quest’ultimo problema può verificarsi se le mobilità di elettroni e buche non corrispondono. In tal caso, la fotocellula a carica limitata (SCLP) riduce le prestazioni del dispositivo.

Il fotovoltaico organico può essere fabbricato con un polimero attivo e un accettore di elettroni a base di fullerene. L’illuminazione di questo sistema mediante luce visibile porta al trasferimento di elettroni dal polimero a una molecola di fullerene. Come risultato, la formazione di una quasiparticella fotoindotta, o polarone (P +), si verifica sulla catena polimerica e il fullerene diventa un anione radicale (C-
60). I polari sono molto mobili e possono diffondersi.

Tipi di giunzione
Il dispositivo fotovoltaico organico più semplice presenta una eterogiunzione planare. Un film di materiale organico attivo (polimero o piccola molecola), di donatore di elettroni o di tipo accettore di elettroni è inserito tra i contatti. Gli eccitoni creati nel materiale attivo possono diffondersi prima di ricombinarsi e separare, buco ed elettrone che si diffondono nel suo specifico elettrodo di raccolta. Poiché i portatori di carica hanno lunghezze di diffusione di soli 3-10 nm in semiconduttori organici amorfi tipici, le cellule planari devono essere sottili, ma le cellule sottili assorbono la luce meno bene. Le eterogiunzioni di massa (BHJ) risolvono questa lacuna. In un BHJ, una miscela di materiali donatore di elettroni e accettore viene lanciata come una miscela, che quindi separa le fasi. Le regioni di ciascun materiale nel dispositivo sono separate solo da alcuni nanometri, una distanza adatta alla diffusione del vettore. Le BHJ richiedono un controllo sensibile sulla morfologia dei materiali su scala nanometrica. Le variabili importanti includono materiali, solventi e il rapporto peso donatore-accettore.

Il prossimo passo logico oltre i BHJs sono i nanomateriali ordinati per le celle solari o le eterogiunzioni ordinate (OHJ). Gli OHJ minimizzano la variabilità associata ai BHJ. Gli OHJ sono generalmente ibridi di materiali inorganici ordinati e regioni attive organiche. Ad esempio, un polimero fotovoltaico può essere depositato in pori in una ceramica come TiO2. Poiché i fori devono ancora diffondere la lunghezza del poro attraverso il polimero per un contatto, gli OHJ soffrono di limiti di spessore simili. Attenuare il collo di bottiglia della mobilità dei fori è fondamentale per migliorare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi di OHJ.

Singolo strato
Le celle fotovoltaiche organiche a strato singolo sono la forma più semplice. Queste cellule sono costituite da uno strato di materiali elettronici organici tra due conduttori metallici, in genere uno strato di ossido di indio-stagno (ITO) con alta funzione di lavoro e uno strato di metallo a bassa funzione di lavoro come alluminio, magnesio o calcio. La struttura di base di una tale cella è illustrata in.

La differenza della funzione di lavoro tra i due conduttori crea un campo elettrico nello strato organico. Quando lo strato organico assorbe la luce, gli elettroni saranno eccitati al LUMO e lasceranno buchi nell’HOMO, formando così eccitoni. Il potenziale creato dalle diverse funzioni di lavoro aiuta a dividere le coppie di eccitoni, tirando gli elettroni all’elettrodo positivo (un conduttore elettrico utilizzato per entrare in contatto con una parte non metallica di un circuito) e fori all’elettrodo negativo.

Eterogiunzione graduata
Il donatore di elettroni e l’accettore sono mescolati in modo tale che il gradiente sia graduale. Questa architettura combina la distanza di spostamento dell’elettrone breve nella eterogiunzione dispersa con il vantaggio del gradiente di carica della tecnologia del doppio strato.

Giunzione continua
Simile alla eterogiunzione graduata, il concetto di giunzione continua mira a realizzare una transizione graduale da un donatore di elettroni a un accettore di elettroni. Tuttavia, il materiale accettore viene preparato direttamente dal polimero donatore in una fase di modifica post-polimerizzazione.

Produzione
Poiché il suo strato attivo determina in gran parte l’efficienza del dispositivo, la morfologia di questo componente ha ricevuto molta attenzione.

Se un materiale è più solubile nel solvente rispetto all’altro, si depositerà prima sulla parte superiore del substrato, causando un gradiente di concentrazione attraverso il film. Questo è stato dimostrato per i dispositivi di poli-3-esil tiofene (P3HT), fenil-C61-butirrico metilestere dell’acido (PCBM) in cui il PCBM tende ad accumularsi verso il fondo del dispositivo sul rivestimento di spin da soluzioni ODCB. Questo effetto è visto perché il componente più solubile tende a migrare verso la fase “ricco di solvente” durante la procedura di rivestimento, accumulando il componente più solubile verso il fondo del film, dove il solvente rimane più lungo. Lo spessore del film generato influenza la segregazione delle fasi perché le dinamiche di cristallizzazione e precipitazione sono diverse per soluzioni più concentrate o tassi di evaporazione più veloci (necessari per costruire dispositivi più spessi). L’arricchimento cristallino di P3HT più vicino all’elettrodo di raccolta dei fori può essere ottenuto solo per strati P3HT / PCBM relativamente sottili (100 nm).

I gradienti nella morfologia iniziale sono quindi generati principalmente dalla velocità di evaporazione del solvente e dalle differenze di solubilità tra il donatore e l’accettore all’interno della miscela. Questa dipendenza dalla solubilità è stata chiaramente dimostrata usando derivati ​​del fullerene e P3HT. Quando si utilizzano solventi che evaporano a un ritmo più lento (come il clorobenzene (CB) o il diclorobenzene (DCB)) si possono ottenere gradi maggiori di separazione verticale o aggregazione mentre i solventi che evaporano più rapidamente producono una separazione verticale molto meno efficace. I maggiori gradienti di solubilità dovrebbero portare ad una separazione verticale più efficace mentre i gradienti più piccoli dovrebbero portare a film più omogenei. Questi due effetti sono stati verificati su P3HT: celle solari PCBM.

Sono stati anche studiati la velocità di evaporazione del solvente e le procedure di ricottura termica a vapore del solvente posteriore o di ricottura termica. Miscele come P3HT: PCBM sembrano beneficiare di procedure di ricottura termica, mentre altre, come PTB7: PCBM, sembrano non mostrare alcun beneficio. In P3HT il beneficio sembra derivare da un aumento della cristallinità della fase P3HT che viene generata attraverso l’espulsione di molecole PCBM all’interno di questi domini. Ciò è stato dimostrato attraverso studi sulla miscibilità del PCBM in P3HT e cambiamenti nella composizione del dominio in funzione dei tempi di ricottura.

L’ipotesi di cui sopra basata sulla miscibilità non spiega completamente l’efficienza dei dispositivi in ​​quanto solo le fasi amorfe pure di entrambi i materiali donatore o accettore non esistono mai all’interno di dispositivi di eterogiunzione alla rinfusa. Un documento del 2010 suggeriva che i modelli attuali che assumono fasi pure e interfacce discrete potrebbero non funzionare, data l’assenza di regioni amorfe pure. Poiché i modelli attuali presuppongono la separazione di fase alle interfacce senza alcuna considerazione per la purezza di fase, è possibile che i modelli debbano essere modificati.

La procedura di ricottura termica varia a seconda esattamente quando viene applicata. Poiché la migrazione delle specie verticali è in parte determinata dalla tensione superficiale tra lo strato attivo e l’aria o un altro strato, la ricottura prima o dopo la deposizione di strati aggiuntivi (il più delle volte il catodo metallico) influisce sul risultato. Nel caso di P3HT: la migrazione verticale delle celle solari PCBM è migliorata quando le cellule vengono ricotte dopo la deposizione del catodo metallico.

L’accumulo di donatori o accettori accanto agli strati adiacenti potrebbe essere utile in quanto questi accumuli possono portare a effetti di blocco o di elettroni che potrebbero favorire le prestazioni del dispositivo. Nel 2009 la differenza nella distribuzione verticale su P3HT: le celle solari PCBM hanno dimostrato di causare problemi con la mobilità degli elettroni che finisce con l’ottenimento di un’efficienza dei dispositivi molto scarsa. Semplici cambiamenti nell’architettura del dispositivo – la rotazione di uno strato sottile di PCBM sulla parte superiore del P3HT – migliora notevolmente la riproducibilità delle celle, fornendo una separazione verticale riproducibile tra i componenti del dispositivo. Poiché è richiesto un maggiore contatto tra PCBM e catodo per migliorare l’efficienza, questo aumenta in gran parte la riproducibilità del dispositivo.

Secondo l’analisi della dispersione di neutroni, le miscele P3HT: PCBM sono state descritte come “fiumi” (regioni P3HT) interrotte da “flussi” (regioni PCBM).

Effetti solventi
Le condizioni per la spalmatura e l’evaporazione influenzano l’efficienza del dispositivo. Solvente e additivi influenzano la morfologia donatore-accettore. Gli additivi rallentano l’evaporazione, portando a più polimeri cristallini e quindi migliori conduttività ed efficienze dei fori. Gli additivi tipici comprendono 1,8-ottaneditolo, orto-diclorobenzene, 1,8-diiodioottano (DIO) e nitrobenzene. L’effetto DIO è stato attribuito alla solubilizzazione selettiva dei componenti PCBM, modifica fondamentalmente la distanza media di salto degli elettroni e quindi migliora la mobilità degli elettroni. Gli additivi possono anche portare a grandi aumenti di efficienza per i polimeri. Per le celle solari HXS-1 / PCBM, l’effetto era correlato alla generazione di carica, al trasporto e alla stabilità dello scaffale. Anche altri polimeri come il PTTBO traggono un beneficio significativo dalla DIO, raggiungendo valori PCE superiori al 5% da circa il 3,7% senza l’additivo.

Le celle solari polimeriche fabbricate da cloronaphthalene (CN) come un co-solvente godono di una maggiore efficienza rispetto a quelle fabbricate dalla soluzione di clorobenzene puro più convenzionale. Questo perché la morfologia donatore-accettore cambia, riducendo la separazione di fase tra polimero donatore e fullerene. Di conseguenza, questo si traduce in mobilità ad alta buca. Senza co-solventi, vasti domini di forma di fullerene, diminuzione della prestazione fotovoltaica della cella dovuta all’aggregazione del polimero in soluzione. Questa morfologia deriva dalla separazione di fase liquido-liquido durante l’essiccazione; risolvere l’evaporazione fa sì che la miscela entri nella regione spinodale, nella quale vi sono significative fluttuazioni termiche. Grandi domini impediscono la raccolta efficiente degli elettroni (riduzione del PCE).

Piccole differenze nella struttura del polimero possono anche portare a cambiamenti significativi nell’imballaggio del cristallo che inevitabilmente influenzano la morfologia del dispositivo. PCPDTBT differisce da PSBTBT causato dalla differenza nell’atomo a ponte tra i due polimeri (C vs. Si), il che implica che con PCPDTBT siano ottenibili morfologie migliori: celle solari PCBM contenenti additivi rispetto al sistema Si che ottengono buone morfologie senza l’aiuto di sostanze aggiuntive.

Cellule autoassemblate
La chimica supramolecolare è stata studiata utilizzando molecole di donatore e accettore che si assemblano su colata e riscaldamento a rotazione. La maggior parte degli assemblaggi supramolecolari impiega piccole molecole. Domini donatori e accettori in una struttura tubolare appaiono ideali per le celle solari organiche.

I polimeri Diblock contenenti fullerene producono cellule solari organiche stabili dopo la ricottura termica. Le celle solari con morfologie pre-progettate sono risultate quando sono state introdotte le interazioni supramolecolari appropriate.

I progressi sui BCP contenenti derivati ​​del politiofene producono celle solari che si assemblano in reti ben definite. Questo sistema mostra un PCE del 2,04%. Il legame con l’idrogeno guida la morfologia.

L’efficienza dei dispositivi basata su approcci co-polimerici deve ancora superare la barriera del 2%, mentre i dispositivi di eterogiunzione alla rinfusa presentano efficienze & gt; 7% nelle configurazioni a giunzione singola.

I copolimeri a blocchi bobina-bobina con innesto di Fullerene sono stati usati per studiare l’organizzazione del dominio.

Approcci supramolecolari alle celle solari organiche forniscono una comprensione delle forze macromolecolari che guidano la separazione del dominio.

Celle polimeriche a infrarossi
Le celle a infrarossi assorbono preferenzialmente la luce nella gamma dell’infrarosso piuttosto che le lunghezze d’onda visibili. A partire dal 2012, tali celle possono essere rese quasi al 70% trasparenti alla luce visibile. Le celle presumibilmente possono essere prodotte in grande quantità a basso costo utilizzando l’elaborazione della soluzione. Le celle polimeriche a infrarossi possono essere utilizzate come componenti aggiuntivi di elettronica portatile, finestre intelligenti e fotovoltaici integrati nell’edificio. Le celle impiegano film compositi di biossido d’argento / biossido di titanio come elettrodo superiore, sostituendo gli elettrodi metallici opachi convenzionali. Con questa combinazione, è stata raggiunta l’efficienza di conversione della potenza del 4%.

Efficienza di conversione di potenza
Uno dei principali problemi che circondano le celle solari polimeriche è la bassa efficienza di conversione di potenza (PCE) delle celle fabbricate. Per essere considerati commerciali, i PSC devono essere in grado di raggiungere almeno il 10-15% di efficienza – questo è già molto più basso rispetto ai PV inorganici. Tuttavia, a causa del basso costo delle celle solari polimeriche, un’efficienza del 10-15% è commercialmente valida.

PCE (η) è proporzionale al prodotto della corrente di cortocircuito (JSC), della tensione a circuito aperto (VOC) e del fattore di riempimento (FF).

Dove Pin è l’energia solare incidente. I recenti progressi delle prestazioni delle celle solari polimeriche sono il risultato della compressione del bandgap per migliorare la corrente di corto circuito mentre si abbassa il più alto orbitale molecolare occupato (HOMO) per aumentare la tensione a circuito aperto. Tuttavia, i PSC soffrono ancora di fattori di riempimento bassi (in genere inferiori al 70%). Tuttavia, dal 2013, i ricercatori sono stati in grado di fabbricare PSC con fattori di riempimento superiori al 75%. Gli scienziati sono stati in grado di realizzare attraverso un BHJ invertito e utilizzando combinazioni non convenzionali di donatore / accettore.

commercializzazione
Le celle solari polimeriche devono ancora competere commercialmente con celle solari al silicio e altre celle a film sottile. L’attuale efficienza delle celle solari polimeriche si trova vicino al 10%, ben al di sotto delle celle di silicio. Anche le celle solari polimeriche soffrono di degrado ambientale, mancando di rivestimenti protettivi efficaci.

Sono necessari ulteriori miglioramenti nelle prestazioni per promuovere la diffusione del portatore di carica; il trasporto deve essere potenziato attraverso il controllo dell’ordine e della morfologia; e l’ingegneria dell’interfaccia deve essere applicata al problema del trasferimento di carica attraverso le interfacce.

Si sta conducendo una ricerca sull’uso dell’architettura tandem per aumentare l’efficienza delle celle solari polimeriche. Simile all’architettura in tandem inorganica, si prevede che l’architettura tandem organica aumenti l’efficienza. Rispetto a un dispositivo a giunzione singola che utilizza materiali a banda proibita, la struttura in tandem può ridurre la perdita di calore durante la conversione fotone-elettrone.

Le celle solari polimeriche non sono ampiamente prodotte commercialmente. A partire dal 2008, Konarka Technologies ha iniziato la produzione di celle solari polimero-fullerene. I moduli iniziali erano efficienti al 3-5% e durano solo pochi anni. Da allora Konarka ha presentato istanza di fallimento, in quanto le celle solari polimeriche non sono state in grado di penetrare nel mercato fotovoltaico.

Modellizzazione di celle solari organiche
Come discusso sopra, i semiconduttori organici sono materiali altamente disordinati senza ordine a lungo raggio. Ciò significa che i bordi della banda di conduzione e della fascia di mantovana non sono ben definiti. Inoltre, questo disturbo fisico ed energetico genera stati di trappola in cui elettroni e buchi fotogenici possono essere intrappolati e quindi eventualmente ricombinati.

La chiave per descrivere in modo accurato le celle solari organiche in un modello di dispositivo è includere il trapping e la ricombinazione del vettore attraverso gli stati di trap. Un approccio comunemente utilizzato consiste nell’utilizzare un modello medio efficace, in cui vengono utilizzate equazioni di deriva standard per descrivere il trasporto attraverso il dispositivo. Quindi, viene introdotta una coda esponenziale di stati di trappola che decompone nel gap di banda dai bordi della mobilità. Per descrivere la cattura / fuga da questi stati di trappola, è possibile utilizzare Shockley-Read-Hall (SRH). È stato dimostrato che il meccanismo Shockley-Read-Hall è in grado di riprodurre il polimero: comportamento del dispositivo fullerene sia nel dominio del tempo che nello stato stazionario.

Sfide attuali e progressi recenti
Le difficoltà associate alle celle fotovoltaiche organiche includono la loro bassa efficienza quantica esterna (fino al 70%) rispetto ai dispositivi fotovoltaici inorganici, nonostante abbiano una buona efficienza quantica interna; ciò è dovuto all’assorbimento insufficiente con strati attivi dell’ordine di 100 nanometri. Le instabilità contro l’ossidazione e la riduzione, la ricristallizzazione e le variazioni di temperatura possono anche portare al degrado del dispositivo e alla riduzione delle prestazioni nel tempo. Ciò si verifica a diverse estensioni per dispositivi con diverse composizioni ed è un’area in cui si sta svolgendo una ricerca attiva.

Altri fattori importanti includono la lunghezza di diffusione dell’eccitone, la separazione di carica e la raccolta di carica che sono influenzate dalla presenza di impurità.

Mobilità e trasporto del vettore di carico
Soprattutto per le celle solari di eterogiunzione di massa, la comprensione del trasporto del vettore di carica è fondamentale per migliorare l’efficienza del fotovoltaico organico. Attualmente, i dispositivi di eterogiunzione di massa hanno una mobilità di portatori di carica squilibrata, con una mobilità dei fori inferiore di almeno un ordine di grandezza rispetto a quella della mobilità degli elettroni; questo si traduce in accumulo di carica spaziale e una diminuzione del fattore di riempimento e l’efficienza di conversazione di potenza di un dispositivo. A causa della scarsa mobilità, il fotovoltaico con eterogiunzione di massa efficiente deve essere progettato con strati attivi sottili per evitare la ricombinazione dei portatori di carica, il che è dannoso per l’assorbimento e la scalabilità nella lavorazione. Le simulazioni hanno dimostrato che per avere una cella solare di eterogiunzione di massa con un fattore di riempimento superiore a 0,8 e un’efficienza quantica esterna superiore al 90%, deve esserci una mobilità di portatori di carica bilanciata per ridurre un effetto di carica spaziale, nonché un aumento nel vettore di carica mobilità e / o una diminuzione della costante di frequenza di ricombinazione bimolecolare.

Effetto della morfologia del film
Come descritto sopra, eterojunzioni disperse di materiali organici donatore-accettore hanno efficienze quantistiche elevate rispetto all’etero-giunzione planare, perché nelle eterogiunzioni disperse è più probabile che un eccitone trovi un’interfaccia entro la sua lunghezza di diffusione. La morfologia del film può anche avere un effetto drastico sull’efficienza quantica del dispositivo. Le superfici ruvide e la presenza di vuoti possono aumentare la resistenza della serie e anche la possibilità di cortocircuiti. La morfologia del film e, di conseguenza, l’efficienza quantica può essere migliorata mediante ricottura di un dispositivo dopo averlo coperto con un catodo metallico di ~ 1000 Å di spessore. Il film metallico in cima al film organico applica stress sul film organico, che aiuta a prevenire il rilassamento morfologico del film organico. Ciò conferisce film più densamente compressi e allo stesso tempo consente la formazione di un’interfaccia donatore-accettore interpenetrante separata dalla fase all’interno della massa del film sottile organico.

Eterogiunzione di crescita controllata
La separazione della carica avviene all’interfaccia donatore-accettore. Mentre si viaggia verso l’elettrodo, una carica può rimanere intrappolata e / o ricombinarsi in un materiale organico compenetrato disordinato, con conseguente riduzione dell’efficienza del dispositivo. La crescita controllata della eterogiunzione fornisce un migliore controllo sulle posizioni dei materiali donatore-accettore, risultando in una maggiore efficienza energetica (rapporto tra potenza in uscita e potenza in ingresso) rispetto a quella di etero-giunzioni planari e altamente disorientate (come mostrato in). Pertanto, la scelta di parametri di elaborazione adatti per controllare meglio la struttura e la morfologia del film è altamente auspicabile.

Progresso nelle tecniche di crescita
La maggior parte delle pellicole organiche per applicazioni fotovoltaiche sono depositate mediante rivestimento di rotazione e deposizione in fase vapore. Tuttavia, ogni metodo ha alcuni svantaggi, la tecnica del rivestimento a rotazione può ricoprire aree superficiali più grandi con l’alta velocità ma l’uso di solvente per uno strato può degradare lo strato polimerico già esistente. Un altro problema è legato alla modellatura del substrato per il dispositivo poiché i risultati di rivestimento a rotazione rivestono l’intero substrato con un singolo materiale.

Vuoto di evaporazione termica
Un’altra tecnica di deposizione è l’evaporazione termica sotto vuoto (VTE) che comporta il riscaldamento di un materiale organico nel vuoto. Il substrato viene posizionato a diversi centimetri dalla sorgente in modo che il materiale evaporato possa essere direttamente depositato sul substrato, come mostrato in. Questo metodo è utile per depositare molti strati di materiali diversi senza interazione chimica tra diversi strati. Tuttavia, a volte ci sono problemi con l’uniformità dello spessore del film e il doping uniforme su substrati di grandi superfici. Inoltre, i materiali che si depositano sulla parete della camera possono contaminare le deposizioni successive. Questa tecnica di “linea di vista” può anche creare buchi nel film a causa dell’ombreggiamento, che causa un aumento della resistenza della serie di dispositivi e del corto circuito.

Deposizione in fase vapore organica
La deposizione in fase vapore organica (OVPD) consente un migliore controllo della struttura e della morfologia del film rispetto all’evaporazione termica sottovuoto. Il processo comporta l’evaporazione del materiale organico su un substrato in presenza di un gas di trasporto inerte. La morfologia del film risultante può essere regolata modificando la portata del gas e la temperatura della sorgente. Film uniformi possono essere cresciuti riducendo la pressione del gas di trasporto, che aumenterà la velocità e il percorso libero medio del gas, e come risultato lo spessore dello strato limite diminuirà. Le cellule prodotte da OVPD non hanno problemi legati alle contaminazioni dei fiocchi che escono dalle pareti della camera, poiché le pareti sono calde e non consentono alle molecole di attaccarsi e producono un film su di esse.

Un altro vantaggio rispetto al VTE è l’uniformità del tasso di evaporazione. Ciò si verifica perché il gas di trasporto diventa saturo con i vapori del materiale organico che esce dalla sorgente e quindi si sposta verso il substrato raffreddato, Fig. 6 (b). A seconda dei parametri di crescita (temperatura della sorgente, pressione di base e flusso del gas di trasporto), il film depositato può essere di natura cristallina o amorfa. I dispositivi fabbricati usando OVPD mostrano una densità di corrente di cortocircuito più alta rispetto a quella dei dispositivi realizzati con VTE. Uno strato extra di etero-giunzione donatore-accettore nella parte superiore della cellula può bloccare gli eccitoni, consentendo nel contempo la conduzione dell’elettrone; con conseguente miglioramento dell’efficienza cellulare.

Inchiostro solare organico
L’inchiostro solare organico è in grado di fornire prestazioni più elevate in condizioni di illuminazione fluorescente rispetto alle celle solari in silicio amorfo e si dice che abbia un aumento del 30% – 40% della densità di potenza interna rispetto alla tecnologia solare organica standard.

Cattura della luce
Vari tipi di componenti vengono applicati per aumentare gli effetti di intrappolamento della luce (accoppiamento leggero) in celle solari organiche sottili. Oltre alla flessibilità delle celle solari organiche, utilizzando rispettivamente elettrodi e substrati flessibili anziché ITO e vetro, è possibile produrre celle solari organiche completamente flessibili. Con l’uso di substrati e substrati flessibili, vengono introdotti metodi più semplici per fornire effetti di trappola luminosa agli OPV quali elettrodi polimerici con particelle di scattering incorporate, elettrodi polimerici nanoimpressi, substrati in PET modellati e persino pellicole di visualizzazione ottica commercializzate per display a cristalli liquidi (LCD) come substrati. Saranno fatte molte ricerche per migliorare le prestazioni degli OPV con il merito di una facile elaborazione delle strutture di cattura della luce.

Utilizzare in tandem fotovoltaico
Recenti ricerche e studi sono stati condotti sull’utilizzo di una cella solare organica come cellula superiore in una pila ibrida di celle solari tandem. Poiché le celle solari organiche hanno un gap di banda più elevato rispetto ai tradizionali fotovoltaici inorganici come il silicio o il CIGS, possono assorbire fotoni di energia più elevata senza perdere gran parte dell’energia dovuta alla termalizzazione e quindi operare a una tensione più elevata. I fotoni di energia più bassa e i fotoni di energia più elevata che non sono assorbiti passano attraverso la cella solare organica superiore e vengono quindi assorbiti dalla cella inorganica di fondo. Anche le celle solari organiche sono processabili a basse temperature con un basso costo di 10 dollari per metro quadrato, il che si traduce in una cella superiore stampabile che migliora l’efficienza complessiva delle tecnologie esistenti di celle solari inorganiche. Much research has been done to enable the formation of such a hybrid tandem solar cell stack, including research in the deposition of semi-transparent electrodes that maintain low contact resistance while having high transparency.