Organiske solceller når rekordeffektivitet, benchmark for kommercialisering

I et forskud, der gør en mere fleksibel, billig type solcelle kommercielt levedygtig, Forskere fra University of Michigan har påvist organiske solceller, der kan opnå 15 procent effektivitet.

Dette effektivitetsniveau er inden for rækkevidden af ​​mange solpaneler, eller solcelleanlæg, aktuelt på markedet.

"Økologisk fotovoltaik kan potentielt skære langt ned på de samlede omkostninger til solenergisystemet, gør solenergi til en virkelig allestedsnærværende ren energikilde, " sagde Stephen Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering og Paul G. Goebel Professor of Engineering, der ledede arbejdet.

Med en effektivitet på 15 procent og en levetid på 20 år, forskere vurderer, at organiske solceller kan producere elektricitet til en pris på mindre end 7 cent per kilowattime. Sammenlignet med, den gennemsnitlige elpris i USA var 10,5 cent pr. kilowatt-time i 2017, ifølge U.S. Energy Information Administration.

Organiske solceller inkorporerer kulstof i deres konstruktion for at tilbyde flere fordele i forhold til konventionelle "uorganiske" celler. Siliciumbaserede uorganiske solpaneler er dyre at fremstille – sammensat af tykke, stive plader, der kræver faste monteringspunkter.

Men kulstofbaserede organiske solceller kan billigt fremstilles i ruller, der er tynde nok til at bøje og krumme rundt om strukturer eller i tøj, og lavede enhver farve, selv gennemsigtig, at blande sig i deres omgivelser.

På trods af disse fordele, organiske solceller har manglet den effektivitet, der kræves for at konkurrere med konventionelle energikilder.

"De sidste par år har effektiviteten for organisk solcelle var fast omkring 11 til 12 procent, " sagde Xiaozhou Che, en ph.d.-kandidat i Applied Physics Program og førsteforfatter til en ny undersøgelse offentliggjort i Naturenergi .

For at bryde dem ud af dette spor, forskerne kombinerede flere fremskridt inden for design og proces.

Først, de designede et system, der kombinerer specialiserede lag for at absorbere både synligt og infrarødt lys. I det væsentlige stablede de to organiske solceller - den ene er i stand til at absorbere lys fra det synlige spektrum, der starter ved 350 nanometer i bølgelængde, og en anden i stand til at absorbere nær-infrarødt lys op til 950 nanometer i bølgelængde.

"På egen hånd, cellerne opnår 10- til 11-procent effektivitet, " sagde Che. "Når vi stabler dem sammen, vi øger lysabsorptionen og effektiviteten forbedres til 15 procent med en antirefleksbelægning."

At stable cellerne krævede et gennembrud i processen. Holdet udviklede sammenkoblende lag, der forhindrer skade på den første celle, og stadig tillade lys og elektriske ladninger at passere igennem.

"Det betragtes som en vanskelig proces, fordi der er en chance for, at væsken, der bruges til at behandle den øverste celle, vil opløse de lag, der allerede er aflejret nedenunder, " sagde Che.

Endelig, teamet demonstrerede, at deres nye design, materialer og proces har et højt fabrikationsudbytte på over 95 procent. Dette betyder, at forskerne med succes har oprettet næsten alle enheder uden kortslutninger, og er vigtig for at opskalere fabrikation til et industrielt niveau.

På trods af rekordeffektivitet, holdet tror på, at de kan skubbe deres fremskridt endnu længere.

"Vi kan forbedre lysabsorptionen for at øge den elektriske strøm, og minimere energitabet for at øge spændingen, " sagde Che. "Baseret på beregninger, en effektivitet på 18 procent forventes i den nærmeste fremtid for denne type multijunction-enhed."

Studiet, "Højt fremstillingsudbytte organisk tandem solcelleanlæg, der kombinerer vakuum- og opløsningsbehandlede subceller med 15% effektivitet, " er offentliggjort i Naturenergi den 23. april, 2018.