Szerves napelem

A szerves napelem (organic solar cell, OSC^[1]) vagy műanyag napelem a fotovoltaikus elemek olyan típusa, amely a szerves elektronikát – az elektronika azon ágát, amely vezető szerves polimerekkel vagy kis szerves molekulákkal foglalkozik^[2] – használja a fényelnyeléshez és a töltésszállításhoz, hogy a napfényből a fotovoltaikus hatás révén villamos energiát termeljen. A legtöbb szerves fotovoltaikus cella polimer napelem.

A szerves napelemekben használt molekulák nagy áteresztőképességű oldatfeldolgozással elkészíthetőek és olcsók, ami alacsony gyártási költségeket eredményez a nagy mennyiség előállításához.^[3] A szerves molekulák rugalmasságával együtt a szerves napelemek potenciálisan költséghatékonyak a fotovoltaikus alkalmazásokban.^[4] Molekulamérnöki eljárásokkal (pl. a polimerek hosszának és funkciós csoportjának megváltoztatása) megváltoztattatható a sávhézag, ami lehetővé teszi az elektronikus hangolhatóságot. A szerves molekulák optikai abszorpciós együtthatója magas, így kis mennyiségű, általában csupán pár száz nanométer vastagságú anyaggal nagy mennyiségű fényt lehet elnyelni.

A szilíciumalapú eszközökhöz képest a polimer napelemek könnyűek (ami fontos a kis méretű autonóm érzékelők esetében), potenciálisan eldobhatóak és olcsón előállíthatóak (néha nyomtatott elektronikával), fizikailag rugalmasak, molekuláris szinten testre szabhatóak és potenciálisan kevésbé károsak a környezetre. A polimer napelemek lehetnek átlátszóak ami ablakokban, falakon, rugalmas elektronikában stb. való alkalmazásokat tesz lehetővé.

A szerves fotovoltaikus cellákkal kapcsolatos fő hátrányok az alacsony hatásfok, az alacsony stabilitás és az alacsony szilárdság a szervetlen fotovoltaikus cellákhoz, például a szilícium napelemekhez képest.A szerves cellák a kemény anyagok hatékonyságának kb. 1/3-át nyújtják, és jelentős fotokémiai degradációnak vannak kitéve^[5], ami jelentősen csökkenti a várható élettartamot. Összességében azonban a jelentősen alacsonyabb előállítási költség és az alacsonyabb környezetterhelés miatt valós alternatívája lehet a szervetlen cellás technológiának.

A polimer napelemek alacsony hatásfoka és stabilitási problémái^[6] az alacsony költség^[7] és a megnövekedett hatékonyság ^[8] ígéretével együtt a napelemkutatás népszerű területévé tették őket. 2015-től kezdve a polimer napelemek tandemszerkezeten keresztül több mint 10%-os hatásfokot tudtak elérni^[9]. 2018-ban a szerves fotovoltaikában rekordot jelentő 17,3%-os hatásfokot értek el tandemszerkezeten keresztül^[10].