Fang energi fra sollys med farvestoffer inspireret af naturen

Mens sollys filtrerer gennem en skovkrone, klorofyl arbejder hårdt på at fange fotonernes energi. Inspireret af naturen, forskere ved NTNU arbejder på lysfangende farvestoffer til solceller til at generere elektricitet.

Det er ikke den slags solceller, du vil se på taget af en bygning. I disse silicium solceller, lys rammer et af to halvlederlag og frigør elektroner til at hoppe mellem lagene. Det er bevægelsen af ​​disse elektroner, der skaber en elektrisk strøm. En farvefølsom solcelle (DSSC) fungerer på samme måde, men et af halvlederlagene er erstattet med et lysfølsomt farvestof, der absorberer lyset og i stedet frigiver elektroner.

Farve-sensibiliserede solceller har en tendens til ikke at være så effektive til at omdanne lys til elektricitet som deres siliciummodstykker. Men de virker under dårlige lysforhold, og kan være gennemsigtig og fleksibel, så er bedre egnet til nogle applikationer. For virkelig at drage fuld fordel af DSSC'er, et forskningsprojekt delvist finansieret af Norges forskningsråd (RCN) leder efter måder at øge deres effektivitet.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Dyes and Pigments, NTNU Ph.D. kandidat David Moe Almenningen og kolleger, Odd Reidar Gautun, Bård Helge Hoff og Svein Sunde har vist, at tilføjelse af et bestemt molekyle til farvestofferne kan øge dets lyshøstende egenskaber - selvom det indtil videre koster ekstra lys.

For at høste lys skal et farvestof fungere som en elektrondonor og en elektronacceptor.

"Når dette molekyle bliver ramt af en solstråle, så bevæger elektronen sig fra den elektronrige del til den elektronfattige del, siger Almenningen.

Ved at tilføje noget mellem donor og acceptor, kemikere er i stand til at øge mængden af ​​lys, cellen høster.

Almenningens forskning undersøger tilsætning af forbindelser med thiophener, et molekyle, der ligner benzen, men som indeholder svovl. Thiophener er elektronrige, så det forventes at øge farvestoffets lyshøstningsegenskaber, han siger. Og nyere forsøg viser, at de gør det:Farvestoffet med flest thiofener var det, der høstede mest lys.

Ikke en forbedring – endnu

Imidlertid, det viser sig, at forøgelse af mængden af ​​lys, et farvestof fanger ikke automatisk betyder bedre solceller. Kort sagt:du får måske flere elektroner, men de går ikke nødvendigvis, hvor du vil have dem.

I sine eksperimenter, Almenningen fandt ud af, at selvom den absorberede mest lys, farvestoffet med flest thiofener lavede faktisk den mindst effektive solcelle.

"Du synes, at du gør noget strålende ved at øge evnen til let høst, men så er der andre reaktioner i gang i solcellen, der påvirkes negativt af disse ændringer, " han siger.

Giver potentielle fordele

Han og hans kolleger håber at finde en måde at undgå disse kontraproduktive effekter og drage fordel af den forbedrede lysindsamling. Deres næste skridt er at prøve at modificere farvestoffet kemisk, så elektronerne kun kan gå i én retning. Hvis dette lykkes, det kan føre til mere effektive solceller.

At finde en måde at øge effektiviteten af ​​DSSC'er er en af ​​vejene for udbredt brug. Den nuværende højeste effektivitet er omkring 12%, sammenlignet med tættere på 20 % for en traditionel kommerciel siliciumsolcelle.

Hvis forskere er i stand til at udnytte lyset, der fanges af farvestoffer i disse solceller, mere effektivt, DSSC'er ville potentielt tilbyde en fordel i forhold til traditionelle krystallinske solceller, når det kommer til opskalering:de er billige at lave, fordi de ikke har brug for et rent rum eller vakuumteknologi.

En lovende vej for DSSC'er ville være at integrere dem i bygninger for at fange det svagere lys, der typisk findes indendørs.

"Det er der, disse solceller skinner, siger Almenningen. De ser også ret smukke ud. Du kan tilpasse enhver farve du ønsker, de kan være gennemsigtige."

For Almenningen, selvom, belønningen er at finde ud af, hvordan ændring af den kemiske struktur påvirker farvestoffets ydeevne:"Kemien i sig selv er det fascinerende."