Indefra kunne gøre organiske solceller mere effektive

Organiske solceller har potentiale til at blive en kilde til vedvarende energi, som er billig og hurtig at udrulle og skalere op. Fysikere ved University of Oxford har undersøgt nogle af de videnskabelige fundamentals for hvordan disse celler dannes og fungerer.

Solenergi tegner sig i øjeblikket for mindre end 2 % af den elektricitet, der produceres på verdensplan, men kan yde et stort bidrag til bæredygtighed. Opnåelse af skala indebærer at installere det over et stort overfladeareal. "Vi har brug for flere tusinde kvadratkilometer for at gøre indhug i verdens energiforsyning, så evnen til at opskalere hurtigt og til lave omkostninger er afgørende, " siger professor Moritz Riede, hovedforsker for OSC Go og lektor i bløde funktionelle nanomaterialer ved Oxford. "Du vil gerne være i stand til at belægge kvadratkilometer med solceller på en billig og hurtig måde."

De fleste kommercielt tilgængelige solsystemer er baseret på uorganiske siliciumhalvledere. Økologisk, kulstofbaserede solceller kan byde på mange fordele – de er lette og fleksible, kan komme i forskellige farver, og laves billigt, ved hjælp af lavtemperaturprocesser. Desværre, i øjeblikket er de også meget mindre effektive til at omdanne sollys til elektricitet end konventionelle siliciumbaserede systemer.

OSC Go-teamet har brugt de sidste fire år på at udforske nogle af de grundlæggende spørgsmål om, hvordan organiske solceller (OSC'er) fremstilles med henblik på at forbedre deres ydeevne.

Observation af aflejring

Struktur-egenskabsforhold har været et hovedfokus for deres forskning, da arrangementet af molekylerne inde i en organisk solcelle kan have stor indflydelse på dens ydeevne. Teamet udtænkte måder at bruge lys af forskellige bølgelængder-fra røntgenstråler til nær infrarød-til at undersøge, hvordan molekylerne arrangerer sig i tynde film. "Dette undersøges normalt, når det er fuldt dannet, efter processen er slut, men vi kan se molekylerne under aflejringsprocessen, " siger prof. Riede, "så vi kan se, hvordan molekylerne pakker sig, og hvad vi kan gøre for at manipulere deres arrangement."

Bruger Fulleren C60, et materiale, der ofte bruges til at lave OSC'er, Det lykkedes teamet at observere, hvordan defekter kan dannes i disse tynde film og endda påvirke resultatet. "Vi har observeret C-stablingsfejl i en bestemt molekylær retning, " siger prof. Riede, "det gav os et vigtigt datapunkt på det strukturelle niveau til fortolkning af, hvordan sådanne enheder fungerer."

Store rollemodeller

I en organisk solcelle, sollys absorberes i de fotoaktive lag, der normalt består af en blanding af to materialer – elektrondonorer og acceptormolekyler – hvor det omdannes til elektricitet. OSC Go -forskerne brugte tid på at evaluere ydelsen af ​​fortyndede heterojunction -solceller - dem, hvor donorindholdet er 5 % eller mindre.

"Disse enheder viste sig at fungere overraskende godt, "siger prof. Riede, "så vi har ledt i rene C60-celler for at se, hvordan molekylerne pakker, og hvordan de pakker og fungerer i nærvær af andre molekyler. Disse enheder er fremragende modelsystemer, og vi forsøgte at forbinde de mikrostrukturelle resultater med fotofysiske."

Virkningen af ​​ændringer i mikrostrukturen på enheders ydeevne var et tredje studieområde. I samarbejde med kemivirksomheden Merck, holdet undersøgte, hvad der sker, når OSC-filmen udsættes for høje temperaturer eller udsættes for sollys i lange perioder, som de vil under driften. "Vi målte ændringerne i mikrostruktur med røntgenstråler og andre metoder og var i stand til at relatere disse ændringer til ændringer i ydelsen af ​​OSC'er, " siger prof. Riede, "så dette giver os mulighed for at lede efter måder at hæmme det på."

En bedre forståelse af, hvad der foregår på nanoskalaen, vil være meget nyttig, når det kommer til at vælge hvilke materialer, der skal bruges til at lave effektive OSC'er, Prof. Riede mener.

"Der er et væld af materialer, du kan bruge, og man kan tune materialerne og forbedre deres ydeevne ved et smart kemisk design og gode fremstillingsforhold, " han siger, "men for at kunne gøre det, du skal også kunne forstå det grundlæggende."