Eficiência recorde alcançada em células solares totalmente orgânicas!
Enquanto os painéis solares convencionais geram resíduos problemáticos, as células solares totalmente baseadas em carbono prometem uma alternativa amiga do ambiente
À medida que os esforços globais para combater as alterações climáticas prosseguem, a procura de energia solar está a aumentar. No entanto, uma vez que os painéis solares à base de silício atualmente mais utilizados contêm uma variedade de substâncias perigosas, a sua eliminação ou reciclagem causam impacto ambiental e exigem custos substanciais. A mesma questão é aplicável às células solares de película da próxima geração, como as células solares à base de perovskite, uma vez que também contêm materiais potencialmente perigosos, como compostos de chumbo e óxidos metálicos. Para evitar esses problemas de eliminação e revelar uma fonte de energia amiga do ambiente, os cientistas procuraram células solares do tipo película compostas inteiramente por materiais à base de carbono (células solares totalmente orgânicas). Sem metais perigosos, podem ser incineradas em segurança, tal como os plásticos normais, o que reduzirá significativamente o impacto ambiental e os custos de eliminação. Apesar destas vantagens, as células solares totalmente orgânicas atingem atualmente uma eficiência de conversão de energia (PCE) muito baixa, cerca de 4% no máximo, que é muito inferior à das células solares de silício convencionais (>27%) e das células solares de perovskite (>26%). Assim, são esperados avanços tecnológicos intensivos para células solares totalmente orgânicas de elevado desempenho.
Masahiro Nakano, Professor Associado do Instituto de Ciência e Engenharia, Faculdade de Química, Universidade de Kanazawa, colaborou com cientistas da REIKO Co. (Junichi Iwai, Presidente) e da Queen's University em Kingston, Canadá, e desenvolveu agora com êxito células solares totalmente orgânicas com a maior eficiência do mundo. Enquanto o desempenho das células solares totalmente orgânicas anteriores se limitava a cerca de 4% de PCE, as células recentemente desenvolvidas atingem uma eficiência duas vezes superior à das células anteriores.
Dois grandes problemas tinham anteriormente impedido o desempenho das células solares totalmente orgânicas. Em primeiro lugar, a disponibilidade de materiais de eléctrodos transparentes orgânicos altamente condutores adequados para células solares do tipo película é limitada. Alguns materiais orgânicos de alta condutividade foram relatados, mas a sua preparação exigia ácidos fortes, bases ou recozimento a alta temperatura (>150°C), o que poderia danificar as películas de substrato orgânico e as camadas semicondutoras orgânicas. Para ultrapassar este problema, a equipa de investigação desenvolveu um elétrodo transparente baseado no polímero condutor PEDOT:PSS. O elétrodo à base de PEDOT:PSS pode ser fabricado a uma temperatura mais baixa (80°C) sem utilizar ácidos ou bases, e demonstra condutividade suficiente (resistência da folha: <70 Ω/sq.) para células solares do tipo película.
O segundo problema é a dificuldade em empilhar várias camadas no dispositivo de células solares do tipo película sem danificar as camadas subjacentes. Nos processos de solução, as tintas da camada superior podem danificar as camadas inferiores. Para resolver este problema, desenvolveram o "método de laminação de eléctrodos de nanotubos de carbono". Esta técnica consiste em formar eléctrodos separadamente nas películas de barreira das células solares e depois fixá-los ao dispositivo, evitando danos nas películas orgânicas inferiores durante o fabrico dos eléctrodos. Ao combinar o novo elétrodo orgânico transparente e o método de fabrico, a equipa de investigação desenvolveu com sucesso células solares totalmente orgânicas com mais do dobro da eficiência de conversão de energia (8,7%) dos modelos anteriores (4,0%). Este avanço representa um passo crucial para a aplicação prática de células solares totalmente orgânicas de elevado desempenho.
Olhando para o futuro, as células solares totalmente orgânicas são muito promissoras para aplicações em áreas sensíveis do ponto de vista ambiental, como terras agrícolas e dispositivos portáteis. A sua natureza leve e flexível também permite a instalação em locais onde os painéis solares convencionais seriam impraticáveis. A equipa de investigação pretende melhorar ainda mais o desempenho, melhorando a condutividade dos eléctrodos orgânicos.
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Publicação original
Keiju Hashida, Akihiro Konishi, Hiroyuki Itaya, Kenji Takahashi, Md. Shahiduzzaman, Makoto Karakawa, Tetsuya Taima, Tatsuya Arashitani, Kimio Kawai, Ryo Nishiyama, Kohshin Takahashi, Jean‐Michel Nunzi, Masahiro Nakano; "Unlocking High‐Performance in All‐Organic Solar Cells by the Development of Organic Electrodes with No Acid and High‐Temperature Treatment and the Effective Preparation Thereof on Organic Multilayer Films"; Advanced Functional Materials, 2025-2-7
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