Forskere opgraderer organiske solceller til brug i tagsten, der producerer strøm

Et internationalt team af materialeforskere fra Frankrig, Rusland og Kasakhstan har fundet en måde at øge effektiviteten af ​​organiske solceller flere gange. Den nye undersøgelse, offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A , har vist, at ordnede strukturer baseret på organiske molekyler kan bruges til at producere solenergi.

Solpaneler, eller batterier, er en af ​​de mest lovende måder at generere elektrisk strøm på. Fra 2017, den samlede effekt af solpaneler installeret på verdensplan udgjorde 400 gigawatt. Solenergiindustrien oplever en hurtig vækst, hvilket afhænger af billigere og mere effektive batterier.

En måde at forbedre solenergisystemer på er ved at introducere nye materialer. Grundelementerne i et solpanel, der konverterer lys til elektricitet, er fotovoltaiske celler, eller solceller. De er for det meste lavet af polysilicium - en meget ren polykrystallinsk form af silicium. Men forskere har travlt med at lede efter alternative materialer. Organiske polymerer med fotovoltaiske egenskaber er en af ​​de vigtigste kandidater til at erstatte polysilicium.

Et team af forskere fra Frankrig (University of Strasbourg, University of Lyon, Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse, Synchrotron SOLEIL), Rusland (Moskva Institut for Fysik og Teknologi, Moscow State University), og Kasakhstan (Nazarbayev University) har beskrevet en måde at øge effektiviteten af ​​organiske solceller ved at inkorporere fluoratomer i polymeren. Denne proces, kendt som fluorering, tidligere viste sig at forbedre polymerfotovoltaiske egenskaber, men mekanismen var dårligt forstået. Den nye undersøgelse tydeliggør fluoreringens effekt på celleeffektivitet.

Ved at eksperimentere med forskellige polymermodifikationer, holdet øgede celleeffektiviteten fra 3,7 til 10,2 procent. Selvom dette stadig mangler den kommercielle fotovoltaik i silicium, den massive gevinst i effektivitet tyder på, at polymerbaserede celler er en teknologi, der skal regnes med. Måske kunne organiske solceller med yderligere tweaks overgå deres polysilicium-baserede modstykker.

Den generiske polymer anvendt i forsøget har en temmelig kompleks molekylær struktur. Den består af en kæde af gentagne enheder vist i venstre del af figur 1. Hver af dem omfatter svovlheterocykler - ringe lavet af et svovl og fire carbonatomer - og carbonhydrid -sidekæder med en forgrenet struktur.

Forskerne producerede en række ændringer af denne polymer for at finde ud af, hvilken der har bedre fotovoltaiske egenskaber. De ændrede strukturen ved at tilføje fluoratomer (figur 1, til højre) og varierer længden af ​​sidekæderne. Én polymerkonfiguration viste sig at resultere i langt bedre egenskaber. Nemlig, celleeffektiviteten og strømudgangen var flere gange højere.

Holdet undersøgte derefter den mikroskopiske struktur af den bedst effektive forbindelse. Røntgenanalyse afslørede, at polymerstablingen var mere ordnet. Også, molekylerne var karakteriseret ved højere ladningsbærermobilitet, hvilket betyder, at materialet leder elektricitet bedre. For en solcelle, dette er klart en fordel.

Medforfatter af undersøgelsen Professor Dimitri Ivanov påpegede de teknologiske fordele ved de organiske solceller. Han sagde, at de kan fremstilles i færre faser, sammenlignet med konventionel fotovoltaik i silicium. De lysabsorberende polymerer kan også fungere som en tynd film, hvilket betyder, at solpanelerne ikke behøver at være flade.

"For eksempel, du kunne deponere organiske solbatterier på tagsten, "tilføjer Ivanov, der leder laboratoriet for funktionelle organiske og hybridmaterialer på MIPT og er forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning.

Ifølge Ivanov, hvad der gjorde undersøgelsen udfordrende var "behovet for at optimere solcelleeffektiviteten ved at vælge donorens og acceptorens rigtige molekylære energiniveauer, og samtidig skabe den passende supramolekylære struktur, der ville lette ladningstransport til elektroderne. "