Forskere skaber en ny optisk nanobowl-koncentrator til organiske solceller

Geometrisk lysindfangning er en enkel og lovende strategi til i vid udstrækning at forbedre solcellernes optiske absorption og effektivitet. Ikke desto mindre, implementering af geometrisk lysindfangning i organisk fotovoltaik (OPV) er udfordrende på grund af det faktum, at ensartet organisk aktivt lag sjældent kan opnås på tekstureret substrat. Professor Zhiyong Fan og hans gruppe fra Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) rapporterede om en ny nanobowl optisk koncentrator fremstillet på billig aluminiumsfolie og sigter mod at løse dette problem. De har med succes fremstillet OPV-enheder baseret på en sådan optisk koncentrator og demonstreret over 28 % forbedring i effektkonverteringseffektivitet i forhold til enhederne uden nanobowl. Dette værk blev udgivet i Videnskabsbulletin .

Solenergi er en af ​​de mest lovende vedvarende energiressourcer og repræsenterer en ren og ultimativ erstatning for fossile brændstoffer i fremtiden. I løbet af de sidste årtier, en enorm indsats er blevet investeret i at udvikle effektive og omkostningseffektive fotovoltaiske apparater, som er konkurrencedygtige i forhold til det fossile brændstof. Organisk solcelle (OPV) er blevet betragtet som en af ​​de lovende kandidater til storskala, lavpris og effektiv høst af solenergi. Typiske OPV-enheder er fremstillet på glassubstrat og bruger indium-doteret tinoxid som elektrode. Imidlertid, et sådant substrat er ikke fleksibelt, og ITO-elektrodens relativt høje modstand vil kompromittere OPV-enhedens ydeevne. Forholdsvis, et aluminiumsfoliesubstrat har fordelene ved fremragende ledningsevne, fleksibilitet, omkostningseffektivitet og roll-to-roll processibility. I mellemtiden lysindfangning af nanotekstureret substrat er en tiltalende strategi til at forbedre solcelleeffektiviteten. Ikke desto mindre, en sådan ansøgning om OPV er endnu blevet demonstreret med succes indtil nu. Dette skyldes delvist det strengere krav til ensartethed af aktiv lagtykkelse for OPV-enheder, og en sådan ensartethed er svær at garantere på nanotekstur med de eksisterende belægningsteknikker.

Den nye nanobowl optiske koncentrator udviklet af professor Zhiyong Fan kan i vid udstrækning forbedre den optiske absorption i det aktive lag af organisk solcelle, og optisk simulering afslørede, at en sådan forbedring var bidraget af nanobowlens overlegne fotonfangende evne. Ud over, de har undersøgt effekten af ​​nanobowls geometri på solcellens ydeevne og tre typer nanobowl med pitch på 1000 nm, 1200 nm og 1500 nm blev undersøgt. Solceller baseret på nanobowl med pitch på 1000 nm udviste den bedste fotonabsorption i fotoaktivt lag, hvilket førte til den højeste kortslutningsstrømtæthed på ~9,41 mA cm-2 blandt alle nanobowl-substrater. Med tomgangsspænding på 0,573 V og fyldningsfaktor på 57,9 %, denne nanobowl-solcelle opnåede en solenergikonverteringseffektivitet på 3,12 %, hvilket er 28 % forbedring i forhold til kontrolenheden uden nanobowl. Dette arbejde afslørede ikke kun den dybtgående forståelse af lysindfangning af nanobowl optisk koncentrator, men demonstrerede også muligheden for at implementere geometrisk lysindfangning til lave omkostninger, løsning forarbejdelig OPV.

Udviklingen af ​​den nye nanobowl optiske koncentrator og dens anvendelse på OPV var et samarbejde, der involverede professorer i Institut for Kemi i HKUST, herunder professor Shihe Yang og professor He (Henry) Yan, der arbejder på banebrydende forskning om organisk solcelle. Forskningsprojektet blev støttet af General Research Funds fra Hong Kong Research Grants Council og Hong Kong Innovation Technology Commission.