Półprzewodniki organiczne – tańsze ogniwa fotowoltaiczne i diody LED

Półprzewodniki organiczne – tańsze ogniwa fotowoltaiczne i diody LED

Naukowcy z Uniwersytetu Cornell zaprezentowali wyniki innowacyjnych badań, których efektem jest urządzenie oparte na półprzewodnikach organicznych, wykazujące elektroluminescencję i mogące działająć jak ogniwo fotowoltaiczne lub sterowana dioda. Być może dzięki niemu możliwa będzie produkcja świecących koszulek, lub parasoli plażowych gromadzących energię słoneczną do zasilania przenośnego telewizora. Odkąd półprzewodniki organiczne produkowane są w cienkich i elastycznych arkuszach, mogą tworzyć obrazy, np. na ubraniu lub papierze. Nowa technologia może też wpłynąć na zmniejszenie kosztów produkcji modułów słonecznych.

Urządzenie jako pierwsze wykorzystuje tzw. złącze jonowe (ionic junction), technologię, która zdaniem naukowców powinna zapewnić poprawę sprawności ogniw fotowoltaicznych i obniżyć koszty ich produkcji.

Półprzewodniki, zarówno organiczne, jak i innego rodzaju są materiałami, które zawierają albo nadmiar elektronów swobodnych (półprzewodniki nadmiarowe typu N), albo luki elektronowe (półprzewodniki dziurowe typu P). Materiały z półprzewodników typu N i P mogą zostać połączone w celu utworzenia diod i tranzystorów (standardowe złącze półprzewodnikowe). Badacze z Uniwersytetu Cornell poszli o krok dalej i zrobili diodę z półprzewodników organicznych, która dodatkowo zawierała jony swobodne (molekuły z ładunkiem elektrycznym). Za pomocą laminatu połączyli dwie warstwy organiczne. Przewodnik znajdujący się w górnej części złącza jest przezroczysty aby wpuszczać i wypuszczać światło.

W momencie połączenia obu warstw jony ujemne przemieszczają się przez złącze na stronę dodatnią i odwrotnie aż do momentu, kiedy zostanie osiągnięta równowaga (powstaje bariera potencjału). Zdaniem badaczy proces ten jest analogiczny do reakcji zachodzącej w diodzie krzemowej, gdzie elektrony i dziury przemieszczają się przez złącze.

Po podłączeniu napięcia do górnej i dolnej elektrody przez złącze przepływa prąd w postaci elektronów poruszających się w jedną stronę i dziur poruszających się w stronę przeciwną. Przemieszczanie się ładunków jonowych przez złącze podnosi potencjał złącza, co wpływa na sposób w jaki elektrony się wymieniają się z dziurami. To z kolei zwiększa energię molekuł, które szybko uwalniają ją w postaci fotonów światła. Z badań wynika, że złącze wykazuje intensywną emisję światła. Z drugiej strony, kiedy złącze oświetlane jest jasnym światłem, fotony są absorbowane przez molekuły, co zmusza je do „wypychania” elektronów. Ładunki jonowe tworzą „uprzywilejowany kierunek” dla ruchu elektronów, dzięki czemu ładunki mogą przemieszczać się swobodniej.

Zbiór jonów umożliwia elektronom i dziurom jednokierunkowe przemieszczanie się przez złącze, przez co działa ono jak standardowa dioda prostownicza. Według naukowców prawdopodobnie można wymusić zmianę kierunku przewodzenia takiego złącza, poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia.

Zdaniem profesora Malliaras’a, technologia produkcji tego typu półprzewodników jest łatwa do aplikacji w przemyśle, gdyż sprowadza się do połączenia dwóch elastycznych warstw materiału, z których każda mogłaby być nawinięta na specjalnych rolkach. Kolejnym krokiem jest opracowanie modyfikacji w zakresie użytych materiałów, tak aby nie tracąc ich właściwości mechanicznych uzyskać większą sprawność półprzewodników.

(au)