Solcelle-nedbrydning observeret direkte for første gang

Ved hjælp af DESYs røntgenlyskilde PETRA III, forskere fra Technische Universität München har, for første gang, set organiske solceller nedbrydes i realtid. Dette arbejde kan åbne nye tilgange til at øge stabiliteten af ​​denne meget lovende type solcelle. Holdet ledet af prof. Peter Müller-Buschbaum fra Technische Universität München (Münchens Tekniske Universitet) præsenterer deres observationer i denne uges udgave af det videnskabelige tidsskrift Avancerede materialer .

Organiske solceller, især dem, der er baseret på polymerer, er billige at fremstille i stor skala. Takket være deres fysiske fleksibilitet, de kan åbne op for nye anvendelser af solceller, som ikke er mulige i dag. I øvrigt, de kan omdanne lys til elektricitet med en effektivitet på mere end ti procent og kunne bidrage væsentligt til en storstilet strømforsyning baseret på vedvarende energikilder. Imidlertid, effektiviteten af ​​organiske solceller falder stadig hurtigt, og de har en kortere levetid end konventionelle siliciumceller.

Ved P03-målestationen i DESYs lyskilde PETRA III, forskere har lavet de første levende observationer af nedbrydningen af ​​organiske solceller i drift. At gøre dette, de tændte en prøvepolymersolcelle ved hjælp af en solsimulator, som udsender lys, der matcher spektret og intensiteten af ​​sollys, og registrerede cellens elektriske egenskaber over tid. Med intervaller fra flere minutter til op til en time, forskerne kiggede også ind i solcellen ved hjælp af den skarpt fokuserede røntgenstråle fra PETRA III. På denne måde var de i stand til at se, hvordan den indre struktur af det aktive lag af solcellen ændrede sig i løbet af syv timer, mens effektiviteten af ​​cellen faldt med omkring 25 pct.

Elektricitet genereres i det aktive lag ved såkaldte aktive domæner i disse solceller. Her, lys absorberes og ladningsbærere frigives. Diameteren af ​​disse aktive domæner steg med 17 procent i løbet af undersøgelsen, fra omkring 70 til mere end 80 nanometer. På samme tid, den gennemsnitlige afstand mellem dem steg med 19 procent fra 310 nanometer til omkring 370 nanometer, som røntgenmålingerne viste.

"Dette tyder på, at små steder under drift forsvinder permanent til fordel for større, " forklarer førsteforfatter Christoph Schaffer, der er ph.d.-studerende i Müller-Buschbaums gruppe. "Selvom domænerne vokser, de viger også fra hinanden, det betyder, at deres samlede aktive areal krymper. Dette kan præcist forklare det observerede fald i effektivitet."

"Undersøgelsen forklarede nedbrydningsmekanismen for første gang. Det er et første skridt, " siger medforfatter Dr. Stephan Roth, DESY-forskeren med ansvar for målestation P03. "Det næste skridt involverer at forsøge at reducere eller kontrollere denne vækst på en målrettet måde, for eksempel, gennem tilsætning af passende stoffer. Polymersolceller kunne tænkes at fremstilles med en indre struktur, hvor de aktive steder vokser til deres optimale størrelse i løbet af de første driftstimer, " tilføjer Müller-Buschbaum. "Konsekvensen af ​​sådanne tiltag kan være, at industrielt producerede celler endelig krydser den økonomisk afgørende effektivitetstærskel også for langsigtet drift, " understreger Roth.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY er det førende tyske acceleratorcenter og et af de førende i verden. DESY er medlem af Helmholtz Association og modtager støtte fra det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) (90 procent) og de tyske forbundsstater Hamborg og Brandenburg (10 procent). På sine steder i Hamborg og Zeuthen nær Berlin, DESY udvikler, bygger og driver store partikelacceleratorer, og bruger dem til at undersøge stoffets struktur. DESYs kombination af fotonvidenskab og partikelfysik er unik i Europa.