Forskere gør organiske solceller immune over for vands hærgen, luft og lys

Markedet for organiske solceller forventes at vokse med mere end 20% mellem 2017 og 2020, drevet af fordele i forhold til traditionelle siliciumsolceller:de kan masseproduceres i skala ved hjælp af rulle-til-rulle-behandling; materialerne, der udgør dem, kan let findes i jorden og kunne anvendes på solceller gennem grøn kemi; de kan være semitransparente og derfor mindre visuelt påtrængende – hvilket betyder, at de kan monteres på vinduer eller skærme og er ideelle til mobile enheder; de er ultrafleksible og kan strække sig; og de kan være ultralette.

I modsætning til siliciumsolceller, imidlertid, organiske celler er meget sårbare over for fugt, ilt og sollys selv. State-of-the-art afhjælpning involverer indkapsling af cellen, hvilket øger produktionsomkostninger og enhedsvægt, samtidig med at effektiviteten reduceres.

Forskere ved New York University Tandon School of Engineering har opdaget et bemærkelsesværdigt middel til at gøre organiske solpaneler mere robuste, herunder at give modstand mod ilt, vand og lys ved at gøre det modsatte:fjerne, ikke tilføje, materiale.

Holdet, ledet af André Taylor, professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NYU Tandon School of Engineering, og inklusive Jaemin Kong, en post-doc forsker ved NYU, og forskere ved Yale Universitys laboratorium for transformative materialer og enheder, udførte den molekylære ækvivalent af hårfjerning ved voksning:de brugte en klæbende tape til at fjerne de elektronaccepterende molekyler - det konjugerede fullerenderivat Phenyl-C61-smørsyremethylester (PCBM) - fra den øverste overflade af det fotoaktive lag af solen celle, efterlader kun ikke-reaktive organiske polymerer eksponeret. En af de største syndere i enhedsnedbrydning er oxidationen af ​​disse fullerenderivater. Fjernelse af PCBM fra den eksponerede filmoverflade reducerer chancen for møder med oxidationskilder såsom oxygenmolekyler og vand, sidstnævnte er særligt skadeligt for PCBM.

I organiske solceller under vand via selektiv fjernelse af elektronacceptorer nær den øverste elektrode, en forsidehistorie i aprilnummeret af ACS Energibreve , holdet testede en organisk celle, hvis aktive lag er en blanding af PCBM og den mere modstandsdygtige konjugerede polymer, poly(3-hexylthiophen) (P3HT). Efter at have påført den klæbende tape på overfladen af ​​det fotoaktive lag af filmen, de behandlede cellen med varme og tryk, og, når filmen var vendt tilbage til stuetemperatur, fjernede langsomt tapen fra filmoverfladen.

Bagefter, kun seks procent af PCBM-acceptorkomponenterne var tilbage, ifølge efterforskerne, skabe en polymerrig overflade. De forklarede, at dette minimerede kontakten mellem fullerenelektronacceptorerne og oxygen- og vandmolekyler, mens den polymerrige overflade dramatisk forbedrede adhæsionen mellem det fotoaktive lag og den øverste metalelektrode, ?hvilket sker for at forhindre et andet problem, der følger med fleksion:delaminering af elektroden.

"Vores resultater viser endelig, at den selektive fjernelse af elektronacceptorer nær den øverste elektrode fører til meget holdbare organiske solceller, der endda kan fungere under vand uden indkapsling, " sagde Taylor.

Tilføjet Kong, "Vi demonstrerede, hvor meget længere cellen holder under udsættelse for vand uden væsentligt effektivitetstab, " sagde Kong. "" Desuden, ved hjælp af vores tape stripping-teknik kan vi kontrollere kompositionsfordelingen i lodret retning af det fotoaktive lag, som følgelig fører til bedre ladningsudsugning ud af solcellerne."

Taylor sagde stresstest efter proceduren omfattede at udsætte solenergienhederne for 10, 000 bøjningscyklusser for at demonstrere, at teknikken er robust. Han forklarede, at det også giver vandmodstand til organiske solceller, en velsignelse for produkter som solcelledrevne dykkerure.

"Men hvis man ser på den åbenlyse use case for solpaneler, du skal sikre dig, at organisk solcelle kan konkurrere mod silicium på tagene, i regn og sne. Det er her, organiske solceller simpelthen ikke har kunnet konkurrere i lang tid. Vi viser en vej til at gøre dette muligt, " sagde Taylor.