Células solares orgânicas

Os seres humanos consomem grandes quantidades de energia para o transporte de mercadorias, dirigindo nossas indústrias, trazendo conforto para nossas casas e energizando nossas cidades. Nos Estados Unidos, a maioria da energia consumida vem do petróleo, gás natural e carvão. 91% do carvão é destinado à geração de energia elétrica; No entanto, também aumenta a produção de gases de efeito estufa. Durante este tempo de rápida mudança climática global, a pesquisa está se concentrando agora em fontes renováveis de produção de energia como a eólica ea solar.

Atualmente, a energia renovável representa apenas 10% do consumo de energia nos EUA. Os benefícios da energia solar são que não produzem emissões nocivas e têm um impacto mínimo sobre o meio ambiente. Existem algumas limitações com a energia solar. Uma delas é a quantidade de luz solar que recebem. A luz solar varia na hora do dia, época do ano, localização geral e condições meteorológicas. Devido à imprevisibilidade da exposição solar, grandes áreas de superfície são necessárias para gerar energia. Os painéis fotovoltaicos inorgânicos convencionais (PV) são painéis grandes, grossos e duráveis ​​montados de frente para o sol, sem árvores ou outras estruturas de bloqueio.

Mas e se as superfícies curvas e irregulares também pudessem ser usadas para coletar energia solar? Este é o local onde células de energia solar orgânica (OPV) poderia ser usado. A colocação de PV é fundamental para gerar energia, eles são limitados pelo espaço e pela exposição. Em cidades densas onde o espaço é limitado, edifícios inteiros poderiam potencialmente ser feitos em estações de força usando OPV que é menor, flexível. PV e OPV têm diferentes tipos de construção e geração de energia, com PV atualmente maior em eficiência , mas em curto espaço de tempo desde a sua introdução o OPV teve ganhos consideráveis.

As PV convencionais são construídas por intercalação de dois tipos de semicondutores cristalinos, tipo n e tipo p, entre as camadas de ânodo metálico e cátodo. Uma folha de vidro não-reflexivo é adicionada para proteger os semicondutores e impedir que os raios de luz escapem da célula. Quando um foton atinge o material semicondutor, um elétron é excitado a partir do cristal tipo n e migram para o cristal tipo p. Isto está de acordo com o movimento de um orifício do tipo p no material de tipo n. Este movimento de elétrons entre placas de ânodo e cátodo resulta em uma carga eletromagnética no sistema, gerando energia.

O OPV tem uma construção de camada dupla semelhante entre um ânodo e um cátodo. No entanto, os materiais utilizados são moléculas orgânicas em vez de cristais de estado sólido. Um composto será um doador de elétrons, enquanto o outro é um receptor de elétrons. Os hidrocarbonetos poliaromáticos lineares são utilizados como doadores de electrons, enquanto que os fullerenos são bem adequados como receptores de electrons. Estes materiais podem ser aplicados a um suporte fino de um metal altamente maleável, como o ouro. A célula solar resultante tem a largura de um cartão.

OPV gera energia primeiro capturando um fóton com o material doador de elétrons. Nesta molécula, um dos elétrons irá transitar para o estado excitado, mas ainda estará associado com a molécula original. Esta molécula tem então de transportar a molécula na proximidade de uma molécula receptora de electrons. Uma vez que um par receptor-doador de electrons está à distância adequada, pode ocorrer uma transferência de carga. O elétron excitado salta de sua molécula parental para o estado excitado do eletro-receptor, que irá eventualmente relaxar a um estado fundamental. No caso do PV, a matriz cristalina não é compreendida, os elétrons e os furos movem-se mas os átomos individuais permanecem no lugar. Aqui as moléculas transportam as moléculas excitadas para o seu destino.

Ao comparar PV a OPV, a economia fica com OPV. Os painéis solares finos, flexíveis e imprimíveis podem ser feitos a um custo reduzido em relação ao PV. Eles também podem ser incorporados em estruturas mais facilmente do que PV que é grande e rígida. Atualmente, o OPV está disponível em uma infinidade de cores, formas e superfícies, e pode ser facilmente integrado na construção estética como janelas ou instalações de iluminação. OPV também são bastante duráveis ​​em comparação com PV; Rochas e detritos que caem podem danificar uma matriz fotovoltaica.

Em termos de eficiência, o PV ainda supera o OPV. Os dados atuais mostram que o PV é, em média, quatro vezes mais eficiente do que a OPV. No entanto, seu uso é limitado por espaço e orientação. Pegue um edifício de 50 andares e você poderá colocar um conjunto de alta eficiência fotovoltaica no telhado, ou colocar um monte de arrays OPV de baixa eficiência ao longo das janelas e paredes de todo o lado de um edifício. Se a área de uma face do edifício é maior do que quatro vezes a área no telhado com o conjunto de PV, as diferenças de eficiência são indiscutíveis, e você só teria que considerar o custo.

Outra questão a considerar para OPV é a sua vida. O uso de moléculas orgânicas fotossensíveis acabará por levar à degradação. Este é o mesmo processo que o branqueamento do sol, onde os objetos deixados para fora no sol por períodos prolongados desaparecerão.

Não para desencorajar o uso de OPV, o campo ainda está em sua infância e ainda há muitas coisas a serem desenvolvidas. Uma nova estratégia incorpora moléculas orgânicas e inorgânicas para produzir um híbrido PV/OPV, a perovskita , que tem, em curto espaço de tempo desde sua introdução, alcançado novos registros de eficiência. Mesmo aqui uma equipe de pesquisa é dedicada a usar este tipo híbrido para gerar novos tipos de células solares e aplicar isso para a produção de novos tipos de LEDs.

Talvez no futuro, poderemos ter um telhado PV e painéis OPV em nossas casas.