En skygge tættere på mere effektive organiske solceller

Gennemsigtige solceller vil forvandle udseendet af infrastrukturen ved at gøre det muligt for mange flere overflader at blive til solpaneler. Nu kan materialer kaldet ikke-fulleren-acceptorer, som i sig selv kan generere ladninger, når de udsættes for sollys, gøre semitransparente organiske solceller nemmere at producere, viser et KAUST-ledet internationalt team.

Semitransparent solcelleanlæg er i stand til at omdanne sollys til elektricitet uden at blokere for synligt lys. Dette gør dem attraktive til at bygge integrerede applikationer, såsom vinduer, facader og drivhuse.

I modsætning til traditionelle siliciumbaserede celler kan organiske solceller være fleksible og kan også skræddersyes til at være gennemsigtige. Men jo mere gennemsigtig solcellen er, jo mindre lys fanger den til at producere elektricitet.

Organiske solceller er typisk afhængige af et aktivt lag kaldet en bulk heterojunction - bestående af elektrondonor- og acceptormaterialer - for at fange og konvertere sollys. Ved kontakt kan sollys excitere elektroner til højere energitilstande i heterojunction, hvilket skaber elektron-hul-par eller excitoner, der løsnes ved donor-acceptor-grænsefladen.

Med denne ladningsadskillelse migrerer elektronerne mod acceptoren, mens de positivt ladede huller bevæger sig mod donoren og genererer elektricitet. Heterojunctions har normalt lige store mængder donor- og acceptormaterialer for at fremme lysindsamling og konvertering, men enhederne er ikke gennemsigtige.

I løbet af de sidste fem år har ikke-fulleren-acceptorer produceret heterojunction-baserede enheder med rekordstor effektivitet, der nærmer sig de 20 %. Forskere foreslog imidlertid for nylig, at enkeltkomponentfilm af ikke-fullerenacceptoren Y6 kunne generere ladninger uden behov for en heterojunction, når de udsættes for sollys.

Inspireret af denne opdagelse undersøgte holdet ledet af Derya Baran og postdoc Anirudh Sharma ladningsgenerering i andre ikke-fullerenacceptorer. I lighed med Y6 producerede acceptorerne, som kraftigt absorberer nær-infrarødt lys, ladninger uden en donor-acceptor-grænseflade. Det gjorde de, fordi excitonen splittede spontant, hvilket overraskede forskerne. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials .

"Dette udfordrer vores forståelse af, hvordan disse enheder fungerer, og anmoder om en reevaluering," siger Sharma.

Forskerne udviklede termisk stabile semi-transparente organiske solceller ved hjælp af de nær-infrarød-absorberende acceptorer. Disse er mere gennemsigtige i det synlige område, med eller uden en minimal mængde synligt lysabsorberende donormateriale i en heterojunction.

I mangel af donormateriale fungerede enhederne dårligt på grund af en begrænset ladningsadskillelse. Donortilsætning forbedrede ladningsgenereringen og hulmigreringen mod anoden, hvilket forbedrede effektiviteten. "Dette gjorde det muligt for os at lave solceller, der er delvist gennemsigtige, mens de stadig konverterer sollys til elektricitet," siger Sharma.

Solcellemoduler baseret på semitransparente enheder resulterede i 5,3 % effektivitet og 82 % synlig transmittans, hvilket indikerer deres høje grad af gennemsigtighed.

"Vi undersøger nu næste generation af ikke-fulleren-acceptorer på et grundlæggende niveau for at forstå deres fotofysik, og hvordan ladningstransportlag påvirker den overordnede ydeevne af homo-junction-enheder," siger Sharma.

Flere oplysninger: Anirudh Sharma et al., Semitransparent Organic Photovoltaics, der udnytter intrinsic Charge Generation i ikke-Fulleren-acceptorer, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202305367

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af King Abdullah University of Science and Technology