Printbare solceller et skridt nærmere med nye designprincipper

Forskere har fundet ud af, hvorfor nye slags solceller er så gode til at høste lys - og har givet designregler for at gøre dem bedre.

Dette åbner mulighed for at designe fleksible solceller, som kunne bruges i bygninger og beklædning.

Traditionelle solpaneler er lavet af hårde, siliciumbaserede materialer, der er effektive, men relativt dyre og ikke særlig tilpasningsdygtige. Nye 'organiske' solceller er i stedet meget mere fleksible – både i forhold til hvordan de kan skræddersyes ved at justere kemien, og hvordan de fysisk kan bøjes.

Organiske solmaterialer kan også fremstilles som blæk, hvilket betyder, at enheder baseret på disse materialer kan masseproduceres billigt ved sprøjtning eller udskrivning.

Imidlertid, organiske solceller er i øjeblikket ikke så effektive til at omdanne lysenergi til elektricitet som almindelige siliciumsolceller. Forskere har for nylig gjort fremskridt med nye typer organiske materialer, men de vidste ikke præcis, hvordan de nye materialer er i stand til at nå disse effektivitetsniveauer, forhindre dem i at gøre dem endnu bedre.

Nu, i ny forskning offentliggjort i denne uge i Naturmaterialer , forskere fra et stort internationalt hold, herunder Imperial College London, har bestemt, hvordan de nye materialer fungerer, og hvordan de kan forbedres yderligere.

Ukendt effektivitet
Dr. Artem Bakulin, fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde:"Den lette og fleksible karakter af organiske solceller betyder, at de kan støbes i enhver form, vi ønsker. Der er et stort potentiale for, at organiske solceller kan integreres i bygninger og køretøjer, eller endda blive inkorporeret i de stoffer, vi bærer. Billig, Letvægts solpaneler kan også nemt transporteres og installeres i dele af verden uden strøm."

Forskere vidste, at der i organiske materialer var store energitab, hvilket betyder, at de ikke var effektive til at omdanne solenergi til elektricitet.

Dette skyldes, at en del af energien, der kommer fra lyspartikler (fotoner), skal bruges til 'ladningsadskillelse' - for at hjælpe elektriske ladninger (såkaldte 'elektroner' og 'huller') skabt af fotoner med at bevæge sig væk fra hinanden, så de senere kan generere elektrisk strøm.

I langt de fleste organiske solceller udviklet i de sidste 30 år, mindst 30 procent af den energi, fotonerne bærer, går tabt ved ladningsadskillelse. I de sidste par år har en ny klasse af organiske materialer er blevet introduceret, almindeligvis kendt som 'non-fullerenacceptors' (NFA'er).

NFA'er har været med til at reducere ladningsadskillelsestabet næsten til det halve og bragt effektiviteten af ​​organiske solceller op på omkring 14 pct. Dette er bemærkelsesværdigt, givet, at den teoretiske grænse for effektivitet er omkring 30 pct. og de fleste almindelige siliciumceller kan opnå 25 procent i laboratoriemiljøer.

Nye regler for nye materialer
I samarbejde med seks andre grupper rundt om i verden, Imperialistiske forskere udviklede og studerede et stort sæt effektive NFA-baserede solceller og opdagede en mulig årsag til deres succesfulde ydeevne.

Ved at bruge avancerede ultrahurtige laserteknikker observerede de, at i disse enheder, de elektroner og huller, der er bundet sammen og ikke er i stand til at generere strøm, går ikke tabt, men kan konvertere tilbage til den oprindelige exciterede tilstand med en energi, der matcher den foton, der skabte dem. På denne måde energitab reduceres, og enhedens effektivitet kan nå rekordværdierne.

Med deres nye forståelse, holdet formulerede også de vigtigste regler, der kan føre til endnu mere effektive organiske solceller i fremtiden.

Forskerne ved de syv forskningsinstitutter i USA, Kina og Europa har sammen produceret omkring et dusin forskellige materialer, hvoraf nogle er blevet rapporteret tidligere og andre er helt nye. De har brugt disse til at demonstrere, at de foreslåede regler stemmer overens med eksperimentelle resultater, på trods af, at nogle af reglerne vælter tidligere ideer.

Tom Hopper, fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde:"Indtil nu blev udviklingen af ​​organiske solcellematerialer for det meste udført ved en syntetisk trial-and-error tilgang. Vi håber, at de designregler, som vi har opstillet, vil være nyttige for forskere, der er interesseret i udviklingen af ​​effektive organiske solceller ."