Forskere opnår den højeste certificerede effektivitet af organiske solceller til dato

Materialeforskere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har opnået en ny rekord i ydeevnen af ​​økologisk, ikke-fulleren-baseret, single-junction solceller. Ved at bruge en række komplekse optimeringer, de opnåede certificeret effektkonverteringseffektivitet på 12,25 procent på et overfladeareal, der måler en kvadratcentimeter. Dette standardiserede overfladeareal er den indledende fase for prototypefremstilling. Resultaterne, opnået i samarbejde med partnere fra South China University of Technology (SCUT), er nu udgivet i Naturenergi .

Organiske solcelleanlæg har gennemgået en rivende udvikling i løbet af de sidste par år. I de fleste tilfælde, organiske solceller består af to lag af halvledere - den ene fungerer som donor ved at forsyne elektronerne, og den anden fungerer som en acceptor eller elektronleder. I modsætning til det konventionelt anvendte silicium, som skal trækkes fra en smelte eller udfældes i vakuumsystemer, polymerlagene i dette system kan afsættes fra en opløsning direkte på en bærende film. På den ene side, dette betyder forholdsvis lave produktionsomkostninger, og på den anden, disse fleksible moduler kan bruges lettere end siliciumsolceller i byrum. I lang tid, fullerener, som er kulstofbaserede nanopartikler, blev betragtet som ideelle acceptanter, men de iboende tab af fulleren-baserede kompositter begrænser stadig alvorligt deres potentielle effektivitet. Arbejdet på FAU har således resulteret i et paradigmeskifte. "Med vores partnere i Kina, vi har opdaget et nyt organisk molekyle, der absorberer mere lys end fullerener, som også er meget holdbart, " siger prof. dr. Christoph Brabec, Lærer for Materialevidenskab (Materials in Electronics and Energy Technology) på FAU.

Kompleks standardisering

De betydelige forbedringer i ydeevne og holdbarhed betyder, at de organiske hybridprintede solceller nu bliver interessante til kommerciel brug. Imidlertid, at udvikle praktiske prototyper, teknologien skal overføres fra laboratoriemål på få kvadratmillimeter til standardmål på en kvadratcentimeter.

"Væsentlige tab forekommer ofte under skalering, " siger Dr. Ning Li, en materialeforsker ved Prof. Brabec's Chair. Under et projekt finansieret af den tyske forskningsfond (DFG), Ning Li og hans kolleger ved SCUT i Guangzou var i stand til at reducere disse tab betydeligt. I en kompleks proces, de justerede lysabsorptionen, energiniveauer og mikrostrukturer af de organiske halvledere. Hovedfokus for denne optimering var kompatibiliteten mellem donor og acceptor, og balancen mellem kortslutningsstrømtæthed og åben kredsløbsspænding, som er vigtige forudsætninger for en høj produktion af el.

Certificeret rekordeffektivitet

"Jeg tror, ​​at den bedste måde at beskrive vores arbejde på er ved at forestille mig en kasse med legoklodser, " siger Li. "Vores partnere i Kina indsatte og justerede enkelte molekylære grupper i polymerstrukturen, og hver af disse grupper påvirker en særlig egenskab, der er vigtig for solcellernes funktion." Dette resulterer i en effektkonverteringseffektivitet på 12,25 procent - en ny certificeret rekord for løsningsbaserede organiske solceller med et enkelt kryds med et overfladeareal på en kvadratcentimeter, hvor acceptoren ikke består af fullerener. Det er også interessant at bemærke, at det lykkedes forskerne at holde skaleringstabene på så lave niveauer, at den højeste værdi i laboratoriet på en lille overflade kun var marginalt under 13 procent. På samme tid, de var i stand til at demonstrere en stabilitet, der er relevant for produktionen under simulerede forhold som temperatur og sollys.

Næste trin involverer opskalering af modellen til modulstørrelse på Solar Factory of the Future på Energie Campus Nürnberg (EnCN), før udviklingen af ​​praktiske prototyper begynder.