Materiale til polymersolceller kan egne sig til bearbejdning af store arealer

På trods af alt det løfte, de har vist i laboratoriet, polymersolceller skal stadig "komme i gang" ligesom dem, der bruges i at trykke aviser, så store ark af acceptabelt effektive solcelleanlæg kan fremstilles kontinuerligt og økonomisk. Polymersolceller tilbyder fordele i forhold til deres traditionelle siliciumbaserede modstykker på adskillige måder, herunder lavere omkostninger, potentielt mindre CO2-fodaftryk og en større variation af anvendelser.

Nye forskningsresultater rapporteret af et internationalt hold ledet af National Institute of Standards and Technology (NIST) indikerer, at det "sweet spot" for masseproducerende polymersolceller - en fristende udsigt i årtier - kan være langt større end dikteret af den konventionelle visdom. I eksperimenter med en mock-up af et højt volumen, roll-to-roll behandlingsmetode, forskerne producerede polymerbaserede solceller med en "effektkonverteringseffektivitet" på bedre end 9,5 procent, bare tilbage for det kommercielle minimumsmål på 10 procent.

Det er næsten lige så godt som små-batch-enheder lavet i laboratoriet med spin-coating, en metode, der producerer film af høj kvalitet i laboratoriet, men som er kommercielt upraktisk, da den spilder op til 90 procent af den oprindelige blæk.

Noget overraskende for forskerne, deres masseproducerede versioner udviste molekylær pakning og tekstur, der kun lidt lignede laboratoriefremstillede varianter, som på deres bedste konverterer omkring 11 procent af det indfaldende sollys til elektrisk energi.

"Tommelfingerreglen" har været, at højvolumen polymersolceller skal ligne dem, der er lavet i laboratoriet med hensyn til struktur, organisering og form på nanometerskalaen, " sagde Lee Richter, en NIST-fysiker, der arbejder på funktionelle polymerer. "Vores eksperimenter viser, at kravene er meget mere fleksible end antaget, giver mulighed for større strukturel variation uden væsentligt at ofre konverteringseffektiviteten."

"Effektiv rulle-til-rulle-fremstilling er nøglen til at opnå de lave omkostninger, højvolumenproduktion, der ville gøre det muligt for solcelleanlæg at skalere til en betydelig del af den globale energiproduktion, " forklarede He Yan, en samarbejdspartner fra Hong Kong University of Science and Technology.

Holdet eksperimenterede med et belægningsmateriale bestående af en fluoreret polymer og en fulleren (også kendt som en "buckyball"). Går under det tekniske navn PffBT4T-2OD, polymeren er attraktiv til skaleret produktion - og opnår en rapporteret effektkonverteringseffektivitet på mere end 11 procent. Vigtigt, det kan påføres i relativt tykke lag - befordrende for rulle-til-rulle-behandling.

Imidlertid, de bedst ydende solceller blev produceret med spin-coating-metoden, en lille batch-proces. I spincoating, væsken dispenseres på midten af ​​en skive eller andet substrat, som roterer for at sprede materialet, indtil den ønskede belægningstykkelse er opnået. Udover at generere en masse affald, processen er stykkevis – snarere end kontinuerlig – og substratstørrelsen er begrænset.

Så forskerholdet valgte at teste kommercielt relevante belægningsmetoder, især da PffBT4T-2OD kan påføres i relativt tykke lag på 250 nanometer og mere, eller nogenlunde på størrelse med en stor virus. De startede med klingecoating - svarende til at holde en knivsæg i en brøkdel af en hårsbredde over et behandlet glassubstrat, mens det glider forbi, maling af PffBT4T-2OD på underlaget.

En række røntgenbaserede målinger afslørede, at den temperatur, ved hvilken PffBT4T-2OD blev påført og tørret, havde en væsentlig indflydelse på den resulterende belægnings materialestruktur - især orienteringen, afstand og fordeling af de dannede krystaller.

De substrater, der var bladbelagte ved 90 grader Celsius (194 grader F), var de højest ydende, opnåelse af effektkonverteringseffektiviteter, der toppede 9,5 procent. Overraskende nok, på nanometerniveau, slutprodukterne adskilte sig væsentligt fra de spin-coatede "mester"-enheder fremstillet i laboratoriet. Detaljerede realtidsmålinger under både bladbelægning og spin-coating afslørede, at de forskellige strukturer opstod fra den hurtige afkøling under spin-coating versus den konstante temperatur under blade-coating.

"Realtidsmålinger var afgørende for at udvikle en ordentlig forståelse af filmdannelseskinetikken og den ultimative optimering, " sagde Aram Amassian, en samarbejdspartner fra Saudi-Arabiens King Abdullah University of Science and Technology.

Opmuntret af resultaterne, holdet udførte foreløbige målinger af PffBT4T-2OD-belægning dannet på overfladen af ​​en fleksibel plastikplade. Belægningen blev påført på NIST's slot-die roll-to-roll belægningslinje, direkte efterligner storproduktion. Målinger bekræftede, at materialestrukturerne lavet med blade-coating og dem lavet med slot-die-coating var næsten identiske, når de blev behandlet ved de samme temperaturer.

"Det er tydeligt, at typen af ​​forarbejdningsmetode, der anvendes, påvirker formen af ​​domænerne og deres størrelsesfordeling i den endelige belægning, men disse tydeligt forskellige morfologier underminerer ikke nødvendigvis ydeevnen, sagde Harald Ade, en samarbejdspartner fra North Carolina State University. "Vi mener, at disse resultater giver vigtige spor for at designe polymersolceller, der er optimeret til roll-to-roll-behandling."