הפיתוח של ICFO של תא סולארי אורגני טנדם עם ארבעה טרמינלים עם יעילות של 16.94% מסמן התקדמות משמעותית בטכנולוגיית אנרגיה סולארית, ומבטיח יישומים חדשים בהמרת אנרגיה בת קיימא ודלק סולארי. איור אמנותי של התא הסולארי האורגני המפותח בארבעה טנדמים. קרדיט: ICFO/Francisco Bernal-Texca
חוקרים ב-ICFO ייצרו תא סולארי אורגני חדש עם ארבעה טרמינלים עם תצורת טנדם עם יעילות המרת הספק של 16.94% (PCE). המכשיר החדש מורכב מתא קדמי שקוף במיוחד המשלב אלקטרודת כסף שקופה במיוחד (Ag) של 7 ננומטר בלבד, מה שמבטיח את פעולתו היעילה.
תאים סולאריים אורגניים טנדם דו-טרמינליים (OSCs) בולטים כפתרון מוביל להתגברות על בעיות של הפסדי שידור ותרמיזציה הנראים בתאים סולאריים עם צומת יחיד. תאים סולאריים אורגניים אלו מורכבים מתת-תאים קדמיים ואחוריים עם פערי פס משתנים, המאפשרים קליטה ושימוש רחב יותר בספקטרום השמש.
עם זאת, השגת ביצועים מיטביים בתצורות כאלה דורשת איזון זרם מספק בין שני תאי המשנה. יתר על כן, ייצור תאים סולאריים אורגניים טנדם מסוגים אלה הוא מאתגר מכיוון שהם זקוקים לשכבת חיבור איתנה המסוגלת לאפשר ריקומבינציה יעילה של מטען תוך שמירה על שקיפות גבוהה.
תצורת הטנדם של ארבעה טרמינלים
תצורת טנדם ארבעת הטרמינלים התגלתה כאסטרטגיה חלופית יעילה ביותר בתכנון תאים סולאריים. בניגוד לגישה הדו-טרמינלית, תצורה זו כוללת חיבורים חשמליים נפרדים לתא הקדמי השקוף ולתא האחורי האטום. כתוצאה מכך, הנושא של התאמת זרם חשמלי אינו עוד גורם מגביל. הגדרה זו מאפשרת גמישות רבה יותר בבחירת פערי הפס של כל תא בטנדם, ובכך מייעלת פוטון קליטה ושיפור היעילות הכוללת של ייצור אנרגיה סולארית.
כעת, במחקר חדש שפורסם ב-Journal שמש RRL, חוקרי ICFO פרנסיסקו ברנל-טקסקה ופרופ' ג'ורדי מרטורל מתארים את ייצורו של תא סולארי אורגני טנדם עם ארבעה טרמינלים שהשיג יעילות המרת הספק של 16.94% (PCE). מרכזי בהישג זה הוא ייצור של אלקטרודת כסף שקופה דקה במיוחד, מרכיב קריטי שמילא תפקיד מרכזי באופטימיזציה של הביצועים של התא הסולארי הטנדם.
תא סולארי אורגני שקוף שפותח על ידי פרנסיסקו ברנאל מקבוצת המחקר אורגני ננו-מובנים פוטו-וולטאיים ב-ICFO. קרדיט: ICFO/Francisco Bernal-Texca
כדי לייצר את המכשיר החדש, החוקרים בחנו תחילה את החומרים האורגניים המיועדים לשכבה הפוטו-אקטיבית של שני התאים. הם בחנו את היעילות של שלוש תערובות נפרדות עבור התא הקדמי, שנועד לקצור את הפוטונים עתירי האנרגיה. לבסוף נבחר הבלנד שהופיע בצורה הטובה ביותר, בשם PM6:L8-BO. עבור התא האטום האחורי, החוקרים החליטו להשתמש בתערובת PTB7-Th:O6T-4F, עם מרווח פס צר, מה שהופך אותו למתאים יותר לקליטת החלק האינפרא אדום של הספקטרום (פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה).
לאחר בחירת התערובות, החוקרים השתמשו בגישה מספרית כדי לעצב את המבנה הסופי של ה-OSC בעל ארבעה טנדם. הם השתמשו בפורמליזם המטריצי בשילוב עם מתודולוגיית פתרון הבעיות ההפוכה המקובלת כדי למצוא את הביצועים האופטימליים ואת התצורה הסופית של המכשיר הסולארי.
תפקיד מפתח של אלקטרודת הכסף האולטרה-דקה
ייצור של אלקטרודת כסף שקופה דקה במיוחד בעובי של 7 ננומטר בלבד היה המרכיב העיקרי במחקר הנוכחי. אלמנט זה הוצב בחלק האחורי של התא הקדמי, מה שמבטיח העברת אור טובה להפעלת התא האחורי. אלקטרודות Ag העליון הקונבנציונליות המשמשות ליישומי תאים סולאריים שקופים נעים בדרך כלל בעובי בין 9 ל-15 ננומטר.
הייצור שלה דרש בקרה קפדנית של תנאי המעבדה כדי להבטיח דיוק ועקביות. לאחר מכן, האלקטרודה הוערמה עם שלוש שכבות דיאלקטריות לסירוגין של טונגסטן טריאוקסיד (WO3) וליתיום פלואוריד (LiF). למבנה הרב-שכבתי הפוטוני הזה יש תפקיד מכריע, מכיוון שהוא ממוקם בין שני התאים כדי להקל על הפצת אור יעילה ואחידה. "מבנה זה מציג שידור גבוה בטווח של 750-1000 ננומטר ורפלקטיביות גבוהה בטווח של 500-700 ננומטר", כתבו החוקרים.
"הפיתוח של אלקטרודת ביניים כסופה שקופה חיוני לתפעול יעיל של התא הסולארי. הוא חייב להציג איזון עדין, להיות שקוף מספיק כדי לאפשר לאור להגיע לתא האחורי תוך שמירה על מוליכות חשמלית גבוהה כדי להבטיח את הביצועים האופטימליים של התא הקדמי", אמר פרנסיסקו ברנאל, חוקר ICFO והמחבר הראשון של המחקר. "היכולת לייצר אלקטרודה של 7 ננומטר בלבד מבלי לצפות בהפסדים בתאים השקופים הקדמיים היא התקדמות משמעותית בתחום התאים השקופים".
החוקרים בדקו את הביצועים הפוטו-וולטאיים של המכשיר תחת שמש אחת של תאורה עם סימולטור סולארי ומדדו את היעילות הקוונטית שלו. המכשיר השיג יעילות המרת הספק של 16.94%, שעד כה תהיה הגבוהה ביותר שהושגה עבור תא אורגני טנדם בעל ארבעה טרמינלים. מחברי המחקר מציינים כי השיא הרשמי הנוכחי ביעילות עבור התקני טנדם אורגניים הוא 14.2% וכי ה-PCE האחרון המדווח עבור טנדמים אורגניים 4-טרמינלים הוא 6.5%.
"המחקר שלנו מכיל יישומים פוטנציאליים בתאים פוטו-אלקטוכימיים (PEC), המתייחסים לדרישות חשמליות חיוניות כמו אספקת המתח הדרוש כדי לעלות על התקן עבור הפעלת פיצול מים או CO2 תגובות הפחתה כמו בפרויקט SOREC2", מסביר פרופ' ג'ורדי מרטורל, חוקר ב-ICFO ורכז פרויקט SOREC2. "ניתן ליישם את המתודולוגיה לתכנון והטמעה של מבנה טנדם ארבעת הטרמינלים לתכנון מערכות חדשות שבהן הפצה נאותה של אור באלמנטים היא חיונית לביצועים של מכשיר מסוים."
החוקרים מכוונים כעת את המיקוד שלהם לעבר חידוד, כוונון ושיפור המתודולוגיה והתכנון המבני המותאמים ליישומים כמו דלק סולארי, שבהם התקני טנדם מחזיקים בישימות נרחבת. על ידי אופטימיזציה של המתודולוגיה ואסטרטגיות התכנון, החוקרים שואפים לנצל את מלוא הפוטנציאל של מכשירים אלה בריתום אנרגיה סולארית לתהליכי המרת אנרגיה מגוונים וברי קיימא, כגון CO2 המרה ושווי ערך.
ג'ורדי מרטורל ופרנסיסקו ברנל-טקסה הם חברים פעילים בפרויקט SOREC2. SOREC2 הוא פרויקט במימון האיחוד האירופי המבקש לפתח טכנולוגיה חדשה שתשנה ישירות את אור השמש ואת CO2 לתוך כימיקלים בעלי ערך מוסף, המאפשרים אחסון אנרגיה בטוח ויעיל. הקונסורציום יפתח תא אלקטרוכימי צילום טנדם קומפקטי חדש המופעל על ידי אור שמש ומערכת זרז היברידית חדשה כדי לשפר את הסלקטיביות לכיוון C2 מוצרים.
