Solceller fremstillet af polymerer har potentialet til at være billige og lette, men forskere kæmper for at få dem til at generere elektricitet effektivt.

En polymer er en type stort molekyle, der danner plast og andre velkendte materialer.

"Fagområdet er ret umodent - det er i den spæde fase," siger Luping Yu, professor i kemi ved University of Chicago.

Nu har et team af forskere ledet af Yu identificeret en ny polymer, der tillader elektriske ladninger at bevæge sig lettere gennem cellen, hvilket øger elproduktionen.

"Polymersolceller har et stort potentiale til at levere billige, lette og fleksible elektroniske enheder til at høste solenergi," siger Luyao Lu, en kandidatstuderende i kemi og hovedforfatter af et papir i tidsskriftet Nature Photonics der beskriver resultatet.

De aktive områder af sådanne solceller er sammensat af en blanding af polymerer, der giver og modtager elektroner for at generere elektrisk strøm, når de udsættes for lys. Den nye polymer udviklet af Yus gruppe, kaldet PID2, forbedrer effektiviteten af ​​elproduktion med 15 procent, når den tilsættes til en standard polymer-fulleren blanding.

"Fulleren, et lille kulstofmolekyle, er et af standardmaterialerne, der bruges i polymersolceller," siger Lu. "Dybest set har vi i polymersolceller en polymer som elektrondonor og fulleren som elektronacceptor for at tillade ladningsadskillelse."

I deres arbejde tilføjede forskerne en anden polymer til enheden, hvilket resulterede i solceller med to polymerer og en fulleren.

8.2 procent effektivitet

Gruppen opnåede en effektivitet på 8.2 procent, da en optimal mængde PID2 blev tilsat - den højeste nogensinde for solceller, der består af to typer polymerer med fulleren - og resultatet antyder, at endnu højere effektiviteter kunne være mulige med yderligere arbejde.

Gruppen, som omfatter forskere ved Argonne National Laboratory, arbejder nu på at skubbe effektiviteten mod 10 procent, et benchmark, der er nødvendigt for, at polymersolceller kan være levedygtige til kommerciel anvendelse.

Resultatet var bemærkelsesværdigt, ikke kun på grund af fremskridt inden for tekniske muligheder, bemærker Yu, men også fordi PID2 forbedrede effektiviteten via en ny metode. Standardmekanismen til at forbedre effektiviteten med en tredje polymer er ved at øge absorptionen af ​​lys i enheden.

Hvordan det virker

Men ud over den effekt fandt holdet, at når PID2 blev tilføjet, blev ladninger lettere transporteret mellem polymerer og gennem hele cellen.

For at en strøm kan genereres af solcellen, skal elektroner overføres fra polymer til fulleren i enheden. Men forskellen mellem elektronenerginiveauer for standard polymer-fulleren er stor nok til, at elektronoverførsel mellem dem er vanskelig. PID2 har energiniveauer imellem de to andre og fungerer som mellemled i processen.

"Det er ligesom et skridt," siger Yu. "Når det er for højt, er det svært at klatre op, men hvis du sætter et trin til i midten, kan du nemt gå op."

Tilsætningen af ​​PID2 fik polymerblandingen til at danne fibre, som forbedrer elektronernes mobilitet i hele materialet. Fibrene tjener som en vej til at tillade elektroner at rejse til elektroderne på siderne af solcellen.

"Det er som om, du genererer en gade, og en person, der rejser langs gaden, kan finde en måde at gå fra denne ende til en anden," forklarer Yu.

For at afsløre denne struktur udførte Wei Chen fra Materials Science Division ved Argonne National Laboratory og Institute for Molecular Engineering røntgenspredningsundersøgelser ved hjælp af den avancerede fotonkilde i Argonne og den avancerede lyskilde hos Lawrence Berkeley.

"Uden det er det svært at få indsigt i strukturen," siger Yu. "Det gavner os enormt."

"Denne viden vil tjene som grundlag for at udvikle højeffektive organiske fotovoltaiske enheder til at imødekomme nationens fremtidige energibehov," tilføjer Chen.

Kilde: University of Chicago
Original Study

Om forfatteren

Emily Conover er en videnskabsforfatter med ekspertise inden for fysik og astronomi. Hun skriver for University of Chicago News Office og sin egen personlige videnskabelige blog, Weak Interactions, og er tilgængelig for freelance videnskab eller teknisk skrivning.

Oplysningserklæring: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research og US Department of Energy finansierede forskningen.

Anbefalet bog:

Green Wizardry: Conservation, Solar Power, Organic Havearbejde og andre praktiske færdigheder fra det passende tekniske værktøjssæt - af John Michael Greer

I gamle tider var en troldmand en freelance intellektuel, hvis vigtigste bestand i handel var gode råd, støttet af en grundig uddannelse i landbrug, navigation, politisk og militær videnskab, sprog, handel, matematik, medicin og naturvidenskab. Denne bog er en must-read for enhver, der er bekymret for at mindske vores afhængighed af et overbelastet industrielt system, og i en verden med alvorlig energimangel og økonomiske problemer, der gør livet meget mindre traumatisk og mere leveligt. Fra de grundlæggende koncepter i økologi til en overflod af praktiske teknikker er Green Wizardry en omfattende manual til dagens guiden-i-træning.

Klik her for mere info og / eller for at bestille denne bog.