Strækbare solceller et skridt nærmere

Organiske solceller, der kan males eller printes på overflader, bliver stadig mere effektive, og viser nu løfte om inkorporering i applikationer som tøj, der også kræver, at de er fleksible.

Rice University-laboratoriet af den kemiske og biomolekylære ingeniør Rafael Verduzco har udviklet fleksible organiske solceller, der kan være nyttige, hvor konstant, lavenergiproduktion er tilstrækkelig.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society Materialernes kemi .

Organiske solceller er afhængige af kulstofbaserede materialer, herunder polymerer, i modsætning til hårdt, uorganiske materialer som silicium, at fange sollys og omsætte det til strøm. Økologiske stoffer er også tynde, letvægts, semitransparent og billig. Mens man er midt på vejen, kommerciel, siliciumbaserede solceller yder omkring 22 procent effektivitet - mængden af ​​sollys omdannet til elektricitet - organiske stoffer topper med omkring 15 procent.

"Feltet har været besat af effektivitetsdiagrammet i lang tid, " sagde Verduzco. "Der er sket en stigning i effektiviteten af ​​disse enheder, men mekaniske egenskaber er også virkelig vigtige, og den del er blevet forsømt.

"Hvis du strækker eller bøjer ting, du får revner i det aktive lag, og enheden fejler."

Verduzco sagde, at en tilgang til at løse det skøre problem ville være at finde polymerer eller andre organiske halvledere, der er fleksible af natur, men hans laboratorium tog en anden vej. "Vores idé var at holde fast i de materialer, der er blevet omhyggeligt udviklet gennem 20 år, og som vi ved, fungerer, og finde en måde at forbedre deres mekaniske egenskaber på, " han sagde.

I stedet for at lave et net og hælde de halvledende polymerer i, risforskerne blandede i svovlbaserede thiol-en-reagenser. Molekylerne blandes med polymererne og tværbinder derefter med hinanden for at give fleksibilitet.

Processen er ikke uden omkostninger, fordi for lidt thiol-en efterlader de krystallinske polymerer tilbøjelige til at revne under stress, mens for meget dæmper materialets effektivitet.

Testning hjalp laboratoriet med at finde sin Guldlok-zone. "Hvis vi erstattede 50 procent af det aktive lag med dette mesh, materialet ville få 50 procent mindre lys, og strømmen ville falde, " sagde Verduzco. "På et tidspunkt, det er ikke praktisk. Selv efter at vi bekræftede, at netværket var ved at blive dannet, vi var nødt til at bestemme, hvor meget thiol-en vi havde brug for for at undertrykke fraktur og det maksimale vi kunne indsætte uden at gøre det værdiløst som en elektronisk enhed."

Ved omkring 20 procent thiol-en, de fandt ud af, at celler bevarede deres effektivitet og fik fleksibilitet. "De er små molekyler og forstyrrer ikke morfologien meget, " sagde Verduzco. "Vi kan skinne med ultraviolet lys eller påføre varme eller bare vente, og med tiden vil netværket dannes. Kemien er mild, hurtigt og effektivt."

Næste skridt var at strække materialet. "Ren P3HT (det aktive polythiophen-baserede lag) begyndte at revne ved omkring 6 procent belastning, " sagde Verduzco. "Da vi tilsatte 10 procent thiol-en, vi kunne belaste det op til 14 procent. Ved omkring 16 procent belastning begyndte vi at se revner i hele materialet."

Ved stammer højere end 30 pct. materialet bøjede fint, men blev ubrugeligt som solcelle. "Vi fandt ud af, at der stort set ikke er noget tab i vores fotostrøm op til omkring 20 procent, sagde han. Det ser ud til at være det søde sted.

Skader under belastning påvirkede materialet, selv når belastningen blev udløst. "Belastningen påvirker, hvordan disse krystaldomæner pakkes og oversættes til mikroskopiske brud i enheden, " sagde Verduzco. "Hullerne og elektronerne har stadig brug for stier for at komme til de modsatte elektroder."

Han sagde, at laboratoriet forventer at prøve forskellige organiske fotovoltaiske materialer, mens de arbejder på at gøre dem mere strækbare med mindre tilsætningsstoffer til større testceller.