ملخصات الأبحاث

إعادة تحميل الإكسيتونات الثلاثية بالشحنات الكهربية وأثر ذلك على الخلايا الشمسية العضوية

.A. Gillett et al

  • Published online:

بفضل استخدام المُستقبِلات غير الفوليرينية في الخلايا الشمسية العضوية، تمكَّن العلماء من إنجاز تحويل الطاقة بكفاءة تصل إلى 18%. ومع ذلك، لا تزال الخلايا الشمسية العضوية أقل كفاءةً من نظيرتها غير العضوية، حيث تصل كفاءة تحويل الطاقة في الأخيرة إلى أكثر من 20%. ولعل أحد الأسباب الرئيسة وراء هذا الفرق يكمن في كون جهد الدوائر المفتوحة في الخلايا الشمسية العضوية منخفضًا بالنسبة إلى فجواتها النطاقية (bandgaps)، بسبب إعادة تحميل الشحنات بوسيلة غير إشعاعية. ولكي يتسنَّى للخلايا الشمسية العضوية منافَسة نظيرتها غير العضوية من حيث الكفاءة، لا بد من تحديد مسارات الفقد غير الإشعاعية، وتعطيلها.

وفي هذا البحث المنشور، يبيِّن الباحثون أن أغلب عمليات إعادة تحميل الشحنات تتم – في معظم الخلايا الشمسية العضوية التي تُستخدم فيها المُستقبلات غير الفوليرينية – في ظروف الدوائر المفتوحة، عن طريق تكوُّن إكسيتونات (excitons) ثلاثية غير انبعاثية في المُستقبِلات غير الفوليرينية. وفي المعيار PM6:Y6 blend، تصل هذه الحصة إلى 90%، مما يتسبَّب في خفض جهد الدائرة المفتوحة بمقدار 60 ملّي فولت. وقد عمد العلماء إلى منع إعادة تحميل الشحنات عبر هذه القناة غير الإشعاعية، عن طريق تصميم عملية تهجين كبيرة بين الإكسيتونات الثلاثية في المُستقبِلات غير الفوليرينية، وإكسيتونات نقل الشحنة الثلاثية المغزلية.

تشير عمليات النمذجة إلى أنَّ معدل نقل الشحنة المرتدة من إكسيتونات نقل الشحنة الثلاثية المغزلية ربما يقلّ بمقدار قيمة أُسِّية واحدة، مما يسمح للإكسيتونات بنقل الشحنة الثلاثية المغزلية، عن طريق التفكك مرة أخرى. كما عرض الباحثون في دراستهم نُظم المُستقبلات غير الفوليرينية التي يتم فيها تعطيل تكوُّن الإكسيتونات الثلاثية المغزلية.

وهكذا، فإن هذه الدراسة توفر أساسًا يمكن الاستناد إليه في تصميم خلايا شمسية عضوية، قادرة على تحويل الطاقة بكفاءة تصل إلى 20% أو أكثر.