Nye måder at høste lys med billige fotovoltaiske materialer på

Den direkte omdannelse af sollys til elektricitet ved hjælp af fotovoltaik bliver en stadig vigtigere teknologi til vedvarende energiproduktion som erstatning for fossile brændstoffer, med applikationer fra storskala generation til solpaneler på taget og endda mobiltelefoner. Men solceller udgør stadig kun en marginal brøkdel af den globale energiforsyning. En af hovedårsagerne til dette er de relativt høje omkostninger ved basismaterialet - silicium - der bruges i den mest almindelige type solceller.

Silicium er et populært medium til konvertering af solenergi på grund af dets høje konverteringseffektivitet, men den stigende efterspørgsel efter dens anvendelse i fotovoltaiske celler forårsager en mangel på levering af silicium af høj kvalitet, der kræves til solcelleanvendelser. Fremstilling af silicium og fremstilling af solceller kræver også stærkt kontrollerede rene rum til halvledende behandling, hvilket øger de samlede produktionsomkostninger. Ud over, der er øgede markedskrav til stort område, let, fleksible energikilder til bærbar elektronik og fjernstrøm. “En lavpris, fleksibelt alternativ eller supplement til silicium er afgørende for fremtiden for fotovoltaisk teknologi, ”Siger Jie Zhang, programchef for fotovoltaik og seniorforsker ved gruppen Synthesis &Integration i A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

Organisk input

Materialeforskere gør alt for at udvikle fotovoltaiske systemer, der kan lette denne afhængighed af silicium. På IMRE, forskere udvikler organiske halvledere, som potentielt kan erstatte silicium i solceller, som en del af deres printbare elektronikprogram. Printbar elektronik involverer brug af polymerbaserede halvledermolekyler, som let kan opløses i opløsningsmiddel som et blæk og udskrives som kredsløb på fleksible film uden behov for dyre renrumsfaciliteter. En væsentlig fordel ved udskrivbar elektronik er, at teknologien er kompatibel med eksisterende industrielle trykteknikker. Teknologien gør det muligt at udforske applikationer, der kræver ekstrem fleksibilitet, såsom fleksible displays og elektronisk papir.

Størstedelen af ​​fotovoltaiske celler er baseret på krystallinsk silicium, som er den dyreste form for silicium at producere. En anden generation af solceller baseret på meget billigere tyndfilm amorft silicium på glas eller metal bliver nu kommercielt tilgængelig i form af baggrundsbelysning og lignende applikationer. Fotovoltaiske celler baseret på organiske molekyler betragtes som tredje generation af denne teknologi, og tilgangen tiltrækker opmærksomhed på grund af mulighederne for mekanisk fleksibilitet og løsningsprocesserbarhed. Organiske solceller er også attraktive, fordi de er velegnede til indendørs brug-i modsætning til siliciumbaserede enheder kan organisk energi generere strøm under forholdene med svagt lys i indendørs miljøer. Den praktiske anvendelse af organiske stoffer i fotovoltaiske celler, imidlertid, har været begrænset på grund af den dårlige konverteringseffektivitet af de kendte organiske forbindelser til naturligt lys. ”Vi ønsker at udvikle organiske fotovoltaiske materialer, der er så effektive som muligt til at absorbere fotoner af sollys, ”Siger Zhikuan Chen, gruppeleder og seniorforsker for IMRE’s Synthesis &Integration -gruppe. Chen er ansvarlig for at udvikle højtydende halvledende polymerer.

Polythiophenderivater er de organiske materialer, der er mest undersøgt til fotovoltaik, og nogle rapporter har vist, at disse materialer har høj ladningsmobilitet, hvilket er en vigtig parameter for fotovoltaiske cellers ydeevne. Imidlertid, forskere har fundet det vanskeligt at opnå høj konverteringseffektivitet og høj ladningsmobilitet på samme tid.

I deres seneste undersøgelse, Chens team kombinerede thiophen med benzothiadiazol til en copolymer med en smal energibåndspalte, der er egnet til absorption af sollys. En felt-effekt-transistor baseret på denne polymer opnåede ladningsmobilitet, der kan sammenlignes med den for kommercielt tilgængelige polymerbaserede felt-effekt-transistorer. På samme tid, enheden opnåede en konverteringseffektivitet på 6,26%, et af de bedste resultater for en polymer. “Vi arbejder nu på nye lyshøstede polymerer og nye elektrontransporterende materialer for at forbedre konverteringseffektiviteten til 10%, ”Siger Chen. På det effektivitetsniveau, masseproduktionen af ​​organiske fotovoltaiske celler ville blive levedygtig.

Roll-to-roll fremstilling af stort område af trykt elektronik og funktionelle film

Evnen til at udskrive eller deponere organiske og uorganiske molekyler over store områder åbner også op for en række nye applikationer til store areal organiske solceller, trykt elektronik og funktionelle film. A*STAR-forskere og ingeniører arbejder nu på at løse en række udfordringer i fremstillingsprocessen som en del af et 'opskalering'-projekt udført af Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech). Opskaleringsprojektet ledes af teamet af Albert Lu, seniorforsker og programchef for Large-Area Processing Program hos SIMTech.

Lu og hans kolleger forfølger forstyrrende teknologiplatforme til fremstilling af ruller til ruller af organiske og uorganiske printbare funktionelle materialer. Denne proces kan bruges til masseproduktion af både tyk- og tyndfilmsenheder inklusive sensorer, batterier og solceller. Forskerne ser især på, hvordan 'blæk' -molekyler kan deponeres med høj præcision på fleksible underlag på op til 1 meter i bredden. De undersøger også processer til mønstring, prægning og laminering af funktionelle film samt teknikker til webinspektion og webmekatronik. I modsætning til konventionel elektronisk kredsløb fremstilling, som kræver batchbehandling af wafers, store arealbehandlingssystemer involverer en kontinuerlig trykpresselignende fremstillingsproces. "Roll-to-roll-behandling udgør meget forskellige udfordringer for konventionel halvledende behandling, men forventes at åbne en ny æra med trykt elektronik og funktionelle film, ”Siger Lu.

SIMTech etablerer i øjeblikket et pilotproduktionssystem, der er i stand til at behandle trykt elektronik i store områder og funktionelle film på op til 1 meter i webbredde. Lu siger, at SIMTech også samarbejder tæt med print- og medieindustrien i Singapore for at fange hurtigt nye markedsmuligheder og udnytte højhastighedsfremstillingsteknologier såsom inkjetprint, silketryk og flexografisk tryk.

Fangning af fotoner med nanostrukturer

Organiske materialer er lovende til fotovoltaik, siger Lu, men de vil ikke være i stand til helt at erstatte silicium. Faktisk, forskning i mere effektiv anvendelse af silicium lever stadig meget. På A*STAR Institute of Microelectronics, Navab Singh, en hovedforsker af Nano Electronics &Photonics Program, laver mikroelektroniske tweaks for at forbedre siliciums anvendelighed i solceller.

Klassiske siliciumbaserede solceller er lavet af to lag af forskellige typer silicium-n-type (elektronrig) ​​og p-type (hulrig)-der bringes i kontakt for at danne et elektronisk kryds. Elektrisk strøm genereres, når lys, der når silicium, frigiver frie elektron- og hulpar inden for en kort afstand fra krydsgrænsefladen. På grund af refleksion og absorption af lys på steder væk fra krydset, antallet af elektron -hulpar, der deltager i elproduktion, er relativt lavt i den klassiske struktur. For at afhjælpe disse mangler, Singh og hans medforskere forsøger at implantere hundredvis af nanostørrelser, siliciumbaserede fotovoltaiske søjler på siliciumoverfladen. "Når du laver nanoskala -mønstre på den øverste overflade, det reducerer ikke kun refleksion, men det kan også øge optagelsen af ​​lys inde i et meget tyndt siliciumlag, så alle bærerne kan genereres tæt på krydset. ”siger Singh. "Denne proces reducerer også omkostningerne ved materialer." Singh siger, at hans teams nanopillar-teknologi kun kræver et 2 mikrometer tykt lag, sammenlignet med de 300 mikrometer tykke lag, der er nødvendige i tidligere designs.

Ved hjælp af denne nanopillar -teknologi, Singh og hans kolleger demonstrerede for nylig den hidtil højeste strømtæthed for nanostrukturerede siliciumbaserede solceller. De undersøger også andre måder at forbedre ydeevnen yderligere på. Et af de emner, der diskuteres aktivt, er, hvordan man kan designe de fotovoltaiske enheder, så solenergi kan udnyttes fuldt ud, såsom at designe flere kryds med forskellige siliciumlegeringsmaterialer og designe strukturer, der favoriserer flere elektron -hullers pargenerering. Kompatibilitet med eksisterende halvlederfremstillingsprocesser er også en vigtig designparameter. ”Vi udnytter den eksisterende teknologi til at gøre tingene mere spændende, ”Siger Singh.