Organiske polymerer viser solrigt potentiale

(Phys.org) – En ny version af solceller skabt af laboratorier ved Rice og Pennsylvania State universiteter kunne åbne døren til forskning i en ny klasse af solenergienheder.

De fotovoltaiske enheder skabt i et projekt ledet af Rice kemiingeniør Rafael Verduzco og Penn State kemiingeniør Enrique Gomez er baseret på blokcopolymerer, selvsamlende organiske materialer, der arrangerer sig selv i adskilte lag. De udkonkurrerer let andre celler med polymerforbindelser som aktive elementer.

Opdagelsen er detaljeret online i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Mens kommercielle, siliciumbaserede solceller omdanner omkring 20 procent af sollys til elektricitet, og eksperimentelle enheder overstiger 25 procent, der har været en understrøm af forskning i polymerbaserede celler, der i høj grad kunne reducere omkostningerne ved solenergi, sagde Verduzco. Rice/Penn State-cellerne når omkring 3 procent effektivitet, men det er overraskende bedre end andre laboratorier har opnået ved at bruge polymerforbindelser.

"Du har brug for to komponenter i en solcelle:en til at bære (negative) elektroner, den anden bærer positive ladninger, " sagde Verduzco. Ubalancen mellem de to foranlediget af input af energi - sollys - skaber nyttig strøm.

Siden midten af ​​1980'erne, forskere har eksperimenteret med at stable eller blande polymerkomponenter med begrænset succes, sagde Verduzco. Senere polymer/fulleren blandinger toppede 10 procent effektivitet, men fullerenerne – i dette tilfælde, forbedrede C-60 buckyballs – er svære at arbejde med, han sagde.

Rislaboratoriet opdagede en blokcopolymer - P3HT-b-PFTBT - der adskilles i bånd, der er omkring 16 nanometer brede. Mere interessant for forskerne var polymerernes naturlige tendens til at danne bånd vinkelret på glasset. Copolymeren blev skabt i nærvær af et glas/indium tinoxid (ITO) toplag ved beskedne 165 grader Celsius.

Med et lag aluminium på den anden side af enheden konstrueret af Penn State-teamet, polymerbåndene strakte sig fra top til bund elektroder og gav en fri bane for elektroner til at strømme.

"På skrift, blokcopolymerer er fremragende kandidater til organiske solceller, men ingen har været i stand til at opnå særlig god fotovoltaisk ydeevne ved at bruge blokcopolymerer, " sagde Verduzco. "Vi gav ikke op på ideen om blokcopolymerer, fordi der i virkeligheden kun er blevet testet en håndfuld af disse typer solceller tidligere. Vi troede, at det var muligt at få en god ydeevne ved hjælp af blokcopolymerer, hvis vi designede de rigtige materialer og fremstillede solcellerne under de rigtige forhold."

Mysterier er tilbage, han sagde. "Det er ikke klart, hvorfor copolymeren organiserer sig vinkelret på elektroderne, " sagde han. "Vores hypotese er, at begge polymerer ønsker at være i kontakt med det ITO-coatede glas. Vi tror, ​​det tvinger denne orientering, selvom vi ikke har bevist det endnu."

Han sagde, at forskerne ønsker at eksperimentere med andre blokcopolymerer og lære at kontrollere deres strukturer for at øge solcellens evne til at fange fotoner og omdanne dem til elektricitet. Når de først har opnået højere ydeevne fra cellerne, holdet vil se på langsigtet brug.

"Vi vil fokusere på præstation først, for hvis vi ikke kan få det højt nok, der er ingen grund til at tage fat på nogle af de andre udfordringer som stabilitet, " sagde Verduzco. Det er nemt at indkapsle en solcelle for at forhindre luft og vand i at nedbryde den. han sagde, men det er svært at beskytte det mod ultraviolet nedbrydning over tid. "Du skal udsætte den for sollys. Det kan du ikke undgå."