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Pesquisadores da Universidade Politécnica de Hong Kong (PolyU) alcançaram uma eficiência de conversão de energia (PCE) inovadora de 19,31% com células solares orgânicas (OSCs), também conhecidas como células solares de polímero. Essa notável eficiência OSC binária ajudará a aprimorar as aplicações desses dispositivos avançados de energia solar.
O PCE (Eficiência de conversão de energia), uma medida da energia gerada a partir de uma determinada irradiação solar, é considerado uma referência significativa para o desempenho de fotovoltaicos (PVs), ou painéis solares, na geração de energia. A eficiência aprimorada de mais de 19% alcançada pelos pesquisadores da PolyU constitui um recorde para OSCs binários, que possuem um doador e um receptor na camada fotoativa.
Liderada pelo Prof. LI Gang, Professor Titular de Tecnologia de Conversão de Energia e Professor Sir Sze-Yen Chung em Energia Renovável na PolyU, a equipe de pesquisa inventou uma nova técnica de regulação da morfologia OSC usando 1,3,5-triclorobenzeno como uma cristalização regulador. Essa nova técnica aumenta a eficiência e a estabilidade do OSC.
A equipe desenvolveu uma estratégia de manipulação de estado intermediário não monotônico (ISM) para manipular a morfologia OSC de heterojunção em massa (BHJ), que otimiza simultaneamente a dinâmica de cristalização e a perda de energia de OSCs não fulerenos. Ao contrário da estratégia de uso de aditivos solventes tradicionais, que se baseia na agregação molecular excessiva nos filmes, a estratégia ISM promove a formação de empilhamento molecular mais ordenado e agregação molecular favorável. Como resultado, o PCE foi consideravelmente aumentado e a indesejável perda de recombinação não radiativa foi reduzida. Notavelmente, a recombinação não radiativa reduz a eficiência da geração de luz e aumenta a perda de calor.
As descobertas da equipe de pesquisa são descritas no estudo “19,3% Binary Organic Solar Cell and Low Non-Radiative Recombination Enabled by Non-Monotonic Intermediate State Transition” publicado na Nature Communications. A conversão de energia solar em eletricidade é uma tecnologia essencial para alcançar um ambiente sustentável. Embora os OSCs sejam dispositivos promissores que aproveitam a energia solar de maneira econômica, sua eficiência deve ser melhorada para que sejam amplamente utilizados em aplicações práticas.
Células solares orgânicas baseadas em aceitadores não fulerenos representam a fronteira da pesquisa no campo da fotovoltaica orgânica devido às inovações na manipulação de materiais e morfologia. No entanto, a supressão da perda por recombinação não radiativa e o aumento do desempenho estão no centro da pesquisa de células orgânicas.
O Prof. Li disse: “Os desafios na pesquisa vieram dos métodos existentes de controle de morfologia de benchmark baseados em aditivos, que sofrem de perda de recombinação não radiativa, diminuindo assim a tensão de circuito aberto devido à agregação excessiva”. A equipe de pesquisa levou cerca de dois anos para elaborar uma estratégia ISM não monotônica para aumentar a eficiência do OSC e diminuir a perda de recombinação não radiativa. A publicação do estudo promete galvanizar a pesquisa OSC.
O Prof. Li disse: “A nova descoberta tornará a pesquisa de OSC um campo empolgante e provavelmente criará enormes oportunidades em aplicações como eletrônicos portáteis e PVs integrados em edifícios”. A nova porta se abrirá quando os OSCs de junção única de baixo custo puderem atingir um PCE de mais de 20%, juntamente com um desempenho mais estável e outras vantagens exclusivas, como flexibilidade, transparência, elasticidade, baixo peso e cores ajustáveis.
O Prof. Li foi reconhecido como pesquisador altamente citado por 9 anos consecutivos desde 2014, o que atesta seu impacto significativo na pesquisa global. Suas contribuições pioneiras para pesquisa em células solares de polímero desde 2005 trouxeram influência sustentável no desenvolvimento de energia solar imprimível com reconhecimento global.
Sustentando a pesquisa no campo OPV, o estudo do Prof LI intitulado “Células fotovoltaicas de polímero processável de solução de alta eficiência por auto-organização de misturas de polímeros” foi publicado na Nature Materials em 2005. Isso representou o avanço da pesquisa de primeira geração do OPV que alimentou a tecnologia solar deste estudo de fronteira.
Em 2010, o estudo do Prof LI intitulado “Para o futuro brilhante – Células solares de polímero de heterojunção em massa com eficiência de conversão de energia de 7,4%” foi publicado em Materiais avançados.
O Prof. Li disse: “O estudo mais recente mostra uma perda de recombinação não radiativa recorde de 0,168 eV em um OSC binário com um PCE de mais de 19%. Este é um resultado muito encorajador para a pesquisa de longa data sobre OSCs que eu tenho realizados nas últimas duas décadas. Já alcançamos uma melhor eficiência de OSC e, posteriormente, isso ajudará a acelerar as aplicações da energia solar.”
Referências: Nature Materials 4, 864-868 (2005). Células fotovoltaicas de polímero processável de solução de alta eficiência por auto-organização de misturas de polímeros. Vol. de Materiais Avançados. 22, Edição 20 (2010). Para um futuro brilhante — Células solares de polímero de heterojunção em massa com eficiência de conversão de energia de 7,4%.
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