Opdagelse af solceller åbner et nyt vindue til at drive morgendagens byer

Fremtidens bygninger kan blive udstyret med vinduer, der kan generere deres egen elektricitet, takket være en konstatering af et hold ledet af Jacqui Cole, en materialeforsker fra University of Cambridge, Storbritannien, i øjeblikket baseret på det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory.

For første gang, Cole og kolleger bestemte den molekylære struktur af fungerende solcelleelektroder i en fuldt samlet enhed, der fungerer som et vindue. Fundet, udgivet i Nanoskala , hjælper med at fremme smart vinduesteknologi, der kunne gøre det muligt for byer at rykke tættere på målet om at være energibæredygtige.

Forsøgene blev udført på farvesensibiliserede solceller, som er gennemsigtige og dermed velegnede til brug i glas. Forsøg på at skabe smarte vinduesteknologier er blevet begrænset af de mange ukendte molekylære mekanismer mellem elektroderne og elektrolytten, der tilsammen bestemmer, hvordan enheden fungerer.

"De fleste tidligere undersøgelser har modelleret den molekylære funktion af disse arbejdselektroder uden at overveje elektrolytingredienserne, " sagde Cole. "Vores arbejde viser, at disse kemiske ingredienser klart kan påvirke ydeevnen af ​​solceller, så vi kan nu bruge denne viden til at tune ionerne for at øge solcelleeffektiviteten."

For at gøre opdagelsen, Cole – 1851 Royal Commission 2014 Design Fellow – og hendes kolleger brugte neutronreflektometri til at undersøge funktionen og samspillet mellem elektrolytingredienserne med elektroder i de farvestofsensibiliserede solceller. Neutronreflektometri, svarende til røntgenreflektometriteknikker, giver forskere mulighed for at måle strukturen af ​​tynde film med høj opløsning. Men det var det faktum, at testene blev udført i et vindueslignende system, der gav en betydelig opdagelse.

"Tidligere forskning overvejede de fungerende elektroder uden for enheden, så der har ikke været nogen vej til at bestemme, hvordan de forskellige enhedskomponenter interagerer, " sagde Cole. "Vores arbejde betyder et stort spring fremad, da det er verdens første eksempel på anvendelse af in situ neutronreflektometri til farvefølsomme solceller."

Tidligere bestræbelser på at karakterisere farvestof/titaniumdioxid-grænsefladen i disse solceller har været begrænset til at bestemme denne grænsefladestruktur i et miljø udsat for luft eller i et opløsningsmiddel. På grund af disse begrænsninger, disse solcellemiljøer er i det væsentlige kunstige med begrænset relevans for vinduesapplikationer.

Med denne opdagelse, imidlertid, Cole og kolleger har bevæget sig ud over kunstige begrænsninger. Derved, de kan bedre forstå, hvordan en tyndfilmselektrode, der indeholder titaniumdioxid, en naturligt forekommende forbindelse, der findes i maling, solcreme og madfarve, kan have stor indflydelse på solcelleeffektiviteten.

"Vores arbejde har vist, at visse kemiske ingredienser, hvoraf nogle hidtil er blevet overset, klart kan påvirke disse solcellers fotovoltaiske ydeevne, " sagde Cole.

Mere effektive solceller som disse kan flytte smart vinduesteknologi tættere på markedspladsen, sagde Cole, tilføjer, at videnskaben næsten er der.

"Vi har bare brug for et beskedent løft i ydeevnen for at gøre disse solceller konkurrencedygtige, " sagde Cole, "da pris-til-ydelse styrer økonomien i solcelleindustrien. Og fremstilling af farvefølsomme solceller er meget billigt i forhold til andre solcelleteknologier."

Præstationsmæssigt, cellerne slog for nylig en verdensrekord med en effektkonverteringseffektivitet på 14,3 procent ved brug af en farvesensibiliseret elektrode med to co-sensibiliserede metalfrie organiske farvestoffer. Disse farvestoffer "lover billigere, mere miljøvenlige syntetiske ruter og større molekylær designfleksibilitet end deres metalholdige modstykker, " ifølge avisen.

Opdagelsen blev gjort med kolleger fra University of Cambridge, Det Forenede Kongerige, Australian Nuclear Science and Technology Organisation og Rutherford Appleton Laboratory, Storbritannien. Forskere fortsætter med at anvende denne materialekarakteriseringsteknik på farvesensibiliserede solceller, som kunne afsløre yderligere molekylære hemmeligheder og lede vejen til fremtidige energianvendelser.