Forskere finder enkle, billig måde at øge solcelleeffektiviteten

Forskere fra North Carolina State University og det kinesiske videnskabsakademi har fundet en nem måde at ændre den molekylære struktur af en polymer, der almindeligvis bruges i solceller. Deres modifikation kan øge solcelleeffektiviteten med mere end 30 procent.

Polymerbaserede solceller har to domæner, bestående af en elektronacceptor og et elektrondonormateriale. Excitoner er de energipartikler, der skabes af solceller, når lys absorberes. For at blive udnyttet effektivt som energikilde, excitoner skal kunne rejse hurtigt til grænsefladen mellem donor- og acceptordomænerne og beholde så meget af lysets energi som muligt.

En måde at øge solcelleeffektiviteten på er at justere forskellen mellem det højeste besatte molekylære kredsløb (HOMO) af acceptoren og det laveste niveau af ubesat molekylær kredsløb (LUMO) af polymeren, så excitonen kan høstes med minimalt tab. En af de mest almindelige måder at opnå dette på er ved at tilføje et fluoratom til polymerens molekylære rygrad, en vanskelig, flertrinsproces, der kan øge solcellens ydeevne, men har betydelige materialefremstillingsomkostninger.

Et team af kemikere ledet af Jianhui Hou fra det kinesiske videnskabsakademi skabte en polymer kendt som PBT-OP ud fra to kommercielt tilgængelige monomerer og en let syntetiseret monomer. Wei Ma, en post-doc fysikforsker fra NC State og tilsvarende forfatter på et papir, der beskriver forskningen, udført røntgenanalyse af polymerens struktur og donor:acceptor morfologi.

PBT-OP var ikke kun lettere at fremstille end andre almindeligt anvendte polymerer, men en simpel manipulation af dens kemiske struktur gav det et lavere HOMO-niveau, end det var set i andre polymerer med samme molekylære rygrad. PBT-OP viste en åben kredsløbsspænding (spændingen tilgængelig fra en solcelle) værdi på 0,78 volt, en stigning på 36 procent i forhold til gennemsnittet på ~ 0,6 volt fra lignende polymerer.

Ifølge NC State fysiker og medforfatter Harald Ade, holdets tilgang har flere fordele. "Den mulige ulempe ved at ændre den molekylære struktur af disse materialer er, at du kan forbedre et aspekt af solcellen, men utilsigtet skabe utilsigtede konsekvenser i enheder, der besejrer den oprindelige hensigt, " siger han. "I dette tilfælde, vi har fundet en kemisk nem måde at ændre den elektroniske struktur og forbedre enhedens effektivitet ved at fange en større del af lysets energi, uden at ændre materialets evne til at absorbere, skabe og transportere energi."

Forskernes resultater fremgår af Avancerede materialer . Forskningen blev finansieret af det amerikanske energiministerium og det kinesiske ministerium for videnskab og teknologi. Dr. Maojie Zhang syntetiserede polymererne; Xia Guo, Shaoqing Zhang og Lijun Huo fra det kinesiske videnskabsakademi bidrog også til arbejdet.