14 سپتامبر 2021 توسط دانشگاه میشیگان
تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) از یک برش مقطعی از یک OPV با لایه‌های اضافه شده از مواد IC-SAM و C70 بین مواد آلی و بافرهای خارجی، پس از آن‌که مواد در معرض نور شدید برای تکرار قرار گرفتند. سن تخمینی 30 سال یک منطقه فعال ارگانیک سالم را نشان می‌دهد که در لبه‌ها خرابی ندارد. اعتبار: کان دینگ، دانشگاه میشیگان
تحقیقات انجام شده توسط دانشگاه میشیگان نشان می‌دهد که طراحی جدید سلولهای خورشیدی با شفافیت می‌تواند بازدهی بالایی با عمر مفید 30 ساله داشته باشد. ممکن است راه را برای پنجره‌هایی که انرژی خورشیدی نیز تأمین می‌کنند، هموار کند.
استفان فارست، استاد برجسته مهندسی برق دانشگاه پیتر A. Franken، که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: انرژی خورشیدی ارزان‌ترین نوع انرژی است که بشر از زمان انقلاب صنعتی تاکنون تولید کرده است. با استفاده از این وسایل روی پنجره‌ها، ساختمان شما به نیروگاه تبدیل می‌شود.
در حالی که سیلیکون همچنان در کارایی صفحات خورشیدی پادشاهی می‌کند، اما شفاف نیست. برای پنل‌های خورشیدی مناسب پنجره، محققان در حال بررسی مواد آلی-یا مبتنی بر کربن-هستند. چالش تیم فارست این بود که چگونه از تجزیه سریع مواد آلی بسیار کارآمد در حین استفاده جلوگیری کند.
قدرت و ضعف این مواد در مولکول‌هایی است که الکترون‌های تولید شده توسط نور را به الکترودها منتقل می‌کند، نقاط ورودی به مداری است که از انرژی خورشیدی استفاده می‌کند یا ذخیره می‌کند. این مواد عموماً به عنوان پذیرنده‌های غیر فولرن شناخته می‌شوند تا آن‌ها را از پذیرنده‌های فولرن قوی‌تر اما کارآمدتر ساخته شده از مش کربن در مقیاس نانو متمایز کنند. سلولهای خورشیدی ساخته شده با گیرنده‌های غیر فولرن که گوگرد را در خود جای داده‌اند می‌توانند به راندمان 18 درصد سیلیکون دست یابند، اما عمر طولانی ندارند.
این تیم، از جمله محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و دانشگاه تیانجین و دانشگاه ژجیانگ در چین، تصمیم به تغییر آن گرفتند. در آزمایشات خود، آن‌ها نشان دادند که بدون محافظت از مواد تبدیل کننده نور خورشید، بازده در کمتر از 40 درصد از مقدار اولیه آن در مدت 12 هفته تحت معادل 1 نور خورشید کاهش یافت.
یونگشی لی، دستیار دانشمند علوم مهندسی برق و علوم کامپیوتر در ابتدا گفت: «گیرنده‌های غیر فولرن کارایی بسیار بالایی را ایجاد می‌کنند، اما حاوی پیوندهای ضعیفی هستند که به راحتی در زیر فوتون‌های با انرژی بالا، به ویژه فوتون‌های ماوراء بنفش متداول در نور خورشید، تجزیه می‌شوند.»
با مطالعه ماهیت تخریب در سلولهای خورشیدی محافظت نشده، تیم تشخیص داد که آن‌ها فقط نیاز به تقویت در چند مکان دارند. اول، آن‌ها باید جلوی تابش اشعه ماوراء بنفش را بگیرند. برای این منظور، آن‌ها یک لایه اکسید روی-یک ماده رایج ضد آفتاب-را در قسمت شیشه‌ای که رو به خورشید است، اضافه کردند.
یک لایه نازک اکسید روی در کنار ناحیه جذب کننده نور، به رساندن الکترون‌های تولید شده توسط خورشید به الکترود کمک می‌کند. متأسفانه، جذب کننده نور شکننده نیز تجزیه می‌شود، بنابراین تیم یک لایه از مواد مبتنی بر کربن به نام IC-SAM را به عنوان بافر اضافه کردند.
علاوه بر این، الکترودی که حفره‌های با بار مثبت-عمدتا فضاهای خالی شده توسط الکترون-را به داخل مدار می‌کشاند، همچنین می‌تواند با جاذب نور واکنش نشان دهد. آن‌ها برای محافظت از آن لایه، یک لایه بافر دیگر اضافه کردند، این یکی فولرن شکل توپ فوتبال بود.
سپس تیم دفاع جدید خود را تحت شدت‌های مختلف نور خورشید شبیه‌سازی شده، از 1 خورشید معمولی تا نور 27 خورشید و دمای تا 150 درجه فارنهایت آزمایش کردند. با مطالعه نحوه افت عملکرد در این شرایط، تیم استنباط کرد که سلولهای خورشیدی همچنان پس از 30 سال با کارایی 80 درصد کار خواهند کرد.
تیم در حال حاضر شفافیت ماژول را به 40 درصد افزایش داده است. آن‌ها معتقدند که می‌توانند به شفافیت 60 درصدی نزدیک شوند.
آن‌ها همچنین در حال افزایش کارایی از 10 درصد به دست آمده در ماژول‌های نیمه شفاف گزارش شده هستند، که نزدیک به 15 درصد تصور می‌شود در شفافیت بالا امکان پذیر است. از آن‌جا که مواد را می‌توان به صورت مایعات آماده کرد، انتظار می‌رود هزینه‌های تولید نسبتاً کم باشد.
