Tyndhudede solpaneler printet med inkjet

Solceller kan nu laves så tynde, lette og fleksible, så de kan hvile på en sæbeboble. De nye celler, som effektivt opfanger energi fra lys, kunne tilbyde en alternativ måde at drive nye elektroniske enheder på, såsom medicinske hudplastre, hvor konventionelle energikilder er uegnede.

"Den enorme udvikling inden for elektronisk hud til robotter, sensorer til flyvende enheder og biosensorer til at opdage sygdom er alle begrænsede med hensyn til energikilder, " siger Eloïse Bihar, en postdoc i Derya Barans team, der ledede forskningen. "I stedet for voluminøse batterier eller en forbindelse til et elektrisk net, vi tænkte på at bruge letvægts, ultratynde organiske solceller til at høste energi fra lys, uanset om det er indendørs eller udendørs."

Indtil nu, ultratynde organiske solceller blev typisk lavet ved spin-coating eller termisk fordampning, som ikke er skalerbare og som begrænser enhedsgeometrien. Denne teknik involverede brug af en gennemsigtig og ledende, men skør og ufleksibel, materiale kaldet indiumtinoxid (ITO) som en elektrode. For at overvinde disse begrænsninger, holdet anvendte inkjet-print. "Vi formulerede funktionelt blæk til hvert lag af solcellearkitekturen, " siger Daniel Corzo, en ph.d. elev i Barans hold.

I stedet for ITO, holdet udskrev en gennemsigtig, fleksibel, ledende polymer kaldet PEDOT:PSS, eller poly(3, 4-ethylendioxythiophen) polystyrensulfonat. Elektrodelagene klemte et lysfangende organisk fotovoltaisk materiale. Hele enheden kunne forsegles i parylen, en fleksibel, vandtæt, biokompatibel beskyttende belægning.

Selvom inkjet-udskrivning er meget egnet til at opskalere og lave omkostninger, at udvikle de funktionelle blæk var en udfordring, Corzo noter. "Inkjet print er en videnskab i sig selv, " siger han. "De intermolekylære kræfter i patronen og blækket skal overvindes for at udstøde meget fine dråber fra den meget lille dyse. Opløsningsmidler spiller også en vigtig rolle, når blækket er aflejret, fordi tørreadfærden påvirker filmkvaliteten."

Efter at have optimeret blæksammensætningen for hvert lag af enheden, solcellerne blev printet på glas for at teste deres ydeevne. De opnåede en strømkonverteringseffektivitet (PCE) på 4,73 procent, slog den tidligere rekord på 4,1 procent for en fuldt udskrevet celle. For første gang, holdet viste også, at de kunne printe en celle på et ultratyndt fleksibelt substrat, nåede en PCE på 3,6 pct.

"Vores resultater markerer et springbræt for en ny generation af alsidige, ultralette printede solceller, der kan bruges som strømkilde eller integreres i hudbaseret eller implanterbart medicinsk udstyr, " siger Bihar.