Argonne hjemmedyrket hybrid solcelle sigter efter lavpris strøm

(PhysOrg.com) - Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har forfinet en teknik til fremstilling af solceller ved at skabe rør af halvledende materiale og derefter "dyrke" polymerer direkte inde i dem. Metoden har potentiale til at blive væsentligt billigere end den proces, der bruges til at fremstille nutidens kommercielle solceller.

Fordi produktionsomkostningerne for nutidens generation af solceller forhindrer dem i at konkurrere økonomisk med fossile brændstoffer, Argonne-forskere arbejder på at genskabe solcellens grundlæggende design. De fleste nuværende solceller bruger krystallinsk silicium eller cadmiumtellurid, men at dyrke en krystal med høj renhed er energi- og arbejdskrævende, gør cellerne dyre.

Den næste generation, kaldet hybrid solceller, bruger en blanding af billigere organiske og uorganiske materialer. For at kombinere disse materialer effektivt, Argonne-forskere skabte en ny teknik til at dyrke organiske polymerer direkte inde i uorganiske nanorør.

På sit mest grundlæggende niveau, solcelleteknologi er afhængig af en række processer, der initieres, når fotoner, eller partikler af lys, støde på halvledende materiale. Når en foton rammer cellen, det exciterer en elektron ud af sin oprindelige tilstand, efterlader et "hul" af positiv ladning.

Hybride solceller indeholder to separate typer halvledende materiale:den ene leder elektroner, de andre huller. I krydset mellem de to halvledere, elektron-hul-parret bliver trukket fra hinanden, skabe en strøm.

I undersøgelsen, Argonne nanoforsker Seth Darling og kolleger ved Argonne og University of Chicago måtte genoverveje de to materialers geometri. Hvis de to halvledere er placeret for langt fra hinanden, elektron-hul-parret vil dø i transit. Imidlertid, hvis de er pakket for tæt, de adskilte ladninger kommer ikke ud af cellen.

Ved at designe et alternativ, forskere parrede en elektrondonerende konjugeret polymer med elektronacceptoren titaniumdioxid (TiO) ₂ ).

Titandioxid danner let små rør på kun 10 nanometer på tværs - 10, 000 gange mindre end et menneskehår. Rækker af små, ensartede nanorør spirer hen over en film af titanium, der er blevet nedsænket i et elektrokemisk bad.

Det næste trin krævede, at forskerne fyldte nanorørene med den organiske polymer - en frustrerende proces.

"At fylde nanorør med polymer er som at prøve at stoppe våd spaghetti ind i et bord fyldt med små huller, " sagde Darling. "Polymeren ender med at bøje og vride, hvilket fører til ineffektivitet, både fordi det fanger luftlommer, mens det går, og fordi snoede polymerer ikke leder ladninger så godt.

"Ud over, denne polymer kan ikke lide titaniumdioxid, "Darling tilføjede. "Så den trækker sig væk fra grænsefladen, når den kan."

Forsøger at omgå dette problem, holdet fik ideen om at dyrke polymeren direkte inde i rørene. De fyldte rørene med en polymerprækursor, tændt ultraviolet lys, og lad polymererne vokse inde i rørene.

vokset på denne måde, polymeren viger ikke tilbage fra TiO ₂ . Faktisk, tests tyder på, at de to materialer rent faktisk blander sig på molekylært niveau; sammen er de i stand til at fange lys ved bølgelængder, der er utilgængelige for et af de to materialer alene. Denne "hjemmedyrkede" metode er potentielt meget billigere end den energikrævende proces, der producerer de siliciumkrystaller, der bruges i nutidens solceller.

Disse enheder overgår dramatisk dem, der er fremstillet ved at fylde nanorørene med færdigdyrket polymer, producerer omkring 10 gange mere elektricitet fra absorberet sollys. Solcellerne produceret ved denne teknik, imidlertid, ikke i øjeblikket udnytte så meget af den tilgængelige energi fra sollys, som siliciumceller kan. Darling håber, at yderligere eksperimenter vil forbedre cellernes effektivitet.

Mere information: Papiret, med titlen "Forbedrede hybridsolceller via in situ UV-polymerisation", blev offentliggjort i tidsskriftet Lille og er tilgængelig online.

Leveret af Argonne National Laboratory (nyheder:web)