Od počiatkov priemyselnej revolúcie začalo ľudstvo intenzívne spotrebovávať slnečnú energiu. Tá bola v priebehu posledných 500 miliónov rokov uskladnená v biomase, stláčanej a zohrievanej tektonickými procesmi, meniacej sa vďaka tomu na fosílne palivá. Ich zdroje sú však obmedzené a ich využívanie je v rozpore s cieľom dosiahnuť uhlíkovú neutralitu, čiže minimalizovať emisie oxidu uhličitého do atmosféry.
„Ekologickou alternatívou využívania slnečnej energie je priama konverzia slnečného žiarenia na elektrickú energiu pomocou fotovoltických článkov. V súčasnosti sa veľké nádeje vkladajú do technológie solárnych článkov na báze organických tenkovrstvových materiálov, ktoré vyžadujú len malé množstvo materiálu a lacné, energeticky nenáročné technologické procesy,“ uvádza RNDr. Katarína Gmucová, CSc., zodpovedná riešiteľka projektu Vzťahy medzi elektrónovou štruktúrou a mikroštruktúrou tenkých kopolymérnych vrstiev. Problematikou kopolymérov pre solárnu energetiku sa zaoberajú pracovníci Oddelenia multivrstiev a nanoštruktúr Fyzikálneho ústavu SAV.
Odborníčka pokračuje, že fotovoltický proces v organickom fotovoltickom článku začína absorpciou fotónu, nasledovanou vygenerovaním excitónu, v ktorom vzbudený elektrón a diera stále silno interagujú a difundujú v materiáli ako nenabité kvázi častice. A to tak dlho, kým sa páry elektrón – diera znova neskombinujú, alebo kým nedôjde k separácii elektrónu a diery. Iba v druhom prípade sa môžu náboje zhromaždiť na elektródach a byť využité vo vonkajšom elektrickom obvode. Kvôli zlepšeniu separácie náboja v organických solárnych článkoch sa v nich používajú dva typy materiálov, z ktorých jeden je donorom a druhý akceptorom elektrónov.
„Vhodnú morfológiu možno dosiahnuť aj použitím kopolymérov, ktoré spájajú v jednej makromolekule donorové aj akceptorové jednotky tvoriace vnútornú donor-akceptorovú štruktúru. Vzťahy medzi mikroštruktúrou a elektrickými vlastnosťami kopolymérov nie sú ešte plne pochopené. Je to zapríčinené aj prítomnosťou usporiadaných (polykryštalických) a neusporiadaných (amorfných) fáz v takýchto tenkých vrstvách, ktoré sú pripravované ,mokrou cestouʽ z roztokov,“ približuje RNDr. Katarína Gmucová, CSc.
Cieľom vedeckej práce je prispieť k vysvetleniu vzťahov medzi mikroštruktúrou tenkej vrstvy kopolyméru a hustotou stavov štruktúrnych defektov v zakázanom páse polovodiča, ktoré výrazne ovplyvňujú funkčnosť solárnych článkov. Prvé výsledky získané na tenkých vrstvách modelového polyméru P3HT ukázali, že aj samotná drsnosť substrátu vyvoláva rôzne štruktúrne defekty a vedie k vzniku polymorfných kryštalických fáz, čoho dôsledkom je silná závislosť hustoty stavov v zakázanom páse na hrúbke tenkých vrstiev.
„Pomocou elektrochemickej impedančnej spektroskopie s energetickým rozlíšením sme zmapovali hustotu stavov v polyméri PFO a kopolyméri PFO-DBT. Tepelné žíhanie pri teplote indukujúcej kvapalnú kryštalickú fázu v pripravených tenkých vrstvách viedlo v obidvoch materiáloch k zníženiu defektných stavov v zakázanom páse. Pozorovali sme výrazný vplyv prítomnosti štruktúrnych aj chemických defektov v tenkých vrstvách na hustotu svetlom indukovaných stavov v zakázanom páse. Potvrdili sme aj možnosť kontrolovať proces samousporiadania kopolyméru optimalizáciou rýchlosti odparovania rozpúšťadla.“
V súčasnosti riešiteľský tím do štúdie zaradil ďalší polyfluorénový kopolymér, F8BT. V spolupráci s Ústavom jadrového a fyzikálneho inžinierstva FEI STU porovnávajú experimentálne namerané dáta s teoretickými výpočtami, v nasledujúcej fáze plánujú analyzovať získané výsledky v kontexte s mikroštruktúrou vzoriek skúmanou pomocou RTG metód (GIWAXS, GISAXS).
„Okrem poznatkov získavaných na komerčných materiáloch sa venujeme aj charakterizácii vzoriek novosyntetizovaných kompozitných polymérov a oligomérov v rámci spolupráci s Ústavom chemického a environmentálneho inžinierstva FCHPT STU a s Katedrou organickej chémie PRIF UK,“ poznamenala ešte zodpovedná riešiteľka projektu.
V závere uvádza, že v rámci rozšírenia ich výskumného zámeru do oblasti nanoštrukturovaných kompozitov na báze konjugovaných polymérov a oligomérov nedávno pripravili návrh projektu multilaterálnej spolupráce s Ústavom makromolekulárnej chémie Akadémie vied Českej republiky, Kompetenčným centrom CEST pre elektrochemické technológie opracovania povrchov v Rakúsku, Fakultou fyzikálnej chémie Belehradskej Univerzity v Srbsku a Ústavom materiálových vied v Mulhouse vo Francúzsku.
Informácie poskytla: RNDr. Katarína Gmucová, CSc.
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová)
Ilustračné foto: Pixabay.com /Kenueone/
Uverejnila: VČ