Sådan bygger du effektive organiske solceller

Organiske solceller, lavet af kulstofbaserede materialer, frembyder unikke fordele sammenlignet med andre solcelleteknologier. For eksempel, de kan fremstilles ved hjælp af billige printteknologier, og de kan gøres semi-transparente med valgbare farver, som kan bruges arkitektonisk i bygningsintegration. Deres fleksibilitet og lave vægt gør dem perfekte til at drive sensorerne til internet of things-applikationer.

En central udfordring for udviklingen af ​​organiske solceller er, at de normalt har store energitab. Nu, 25 forskere fra syv forskningsinstitutter har udarbejdet regler for design af højeffektive organiske solceller. Forskningen ledes af Feng Gao, lektor ved Linköpings Universitet, Sverige.

"Vi har formuleret nogle rationelle designregler for at minimere energitab i organiske solceller. Efter disse regler, vi præsenterer en række eksempler med lavt energitab og høj effektkonverteringseffektivitet, " siger Feng Gao, lektor ved afdelingen for biomolekylær og organisk elektronik på Linköpings Universitet.

Designreglerne, som udfordrer nogle tidligere kendte ideer, er blevet publiceret i en artikel i det prestigefyldte tidsskrift Naturmaterialer .

Ved at bruge disse designregler, organiske solceller lover at indhente deres konkurrenter med hensyn til effektkonverteringseffektivitet, som måler den del af energien i solens stråling, der omdannes til elektricitet. Den teoretiske grænse for den del af solens energi, der kan opnås i solceller, er omkring 33 procent. Laboratorieforsøg med siliciumbaserede solceller har i bedste fald opnået 25 procent. Forskere har indtil nu ment, at grænsen for organiske solceller er lavere.

"Men vi ved nu, at der ikke er nogen forskel - den teoretiske grænse er den samme for solceller fremstillet af silicium, perovskitter eller polymerer, siger Olle Inganas, professor i biomolekylær og organisk elektronik, Linköpings universitet.

Når fotoner fra solen absorberes af den halvledende polymer i en solcelle, elektroner i donormaterialet hæves til en exciteret tilstand, og der dannes huller i grundtilstanden, hvortil elektronerne forbliver tiltrukket. For at adskille disse bundne elektroner og huller, et acceptormateriale tilføjes. Imidlertid, dette acceptormateriale resulterer normalt i ekstra energitab, et problem, der har generet det organiske solcellesamfund i over to årtier.

Artiklen i Naturmaterialer præsenterer to grundlæggende regler for at minimere energitab for højeffektive organiske solceller:

• Minimer energiforskydningen mellem donor- og acceptorkomponenter.
• Sørg for, at komponenten med lavt mellemrum i blandingen har en høj fotoluminescens.

Forskerne ved de syv forskningsinstitutter i USA, Kina og Europa har sammen produceret omkring et dusin materialer, hvoraf nogle er blevet rapporteret tidligere og andre er helt nye. De har brugt disse til at demonstrere, at den nye teori stemmer overens med eksperimentelle resultater, selvom det er noget uforeneligt med hvad man tidligere troede.