Solceller gjorda av polymerer har potential att vara billiga och lätta, men forskare kämpar för att de ska kunna generera el effektivt.

En polymer är en typ av stor molekyl som bildar plast och andra välbekanta material.

"Fältet är ganska omoget - det är i barndomsstadiet", säger Luping Yu, professor i kemi vid University of Chicago.

Nu har ett team av forskare under ledning av Yu identifierat en ny polymer som gör att elektriska laddningar lättare kan röra sig genom cellen, vilket ökar elproduktionen.

"Polymersolceller har stor potential att tillhandahålla billiga, lätta och flexibla elektroniska enheter för att skörda solenergi", säger Luyao Lu, doktorand i kemi och huvudförfattare till en artikel i tidskriften Naturfotonik som beskriver resultatet.

De aktiva områdena i sådana solceller är sammansatta av en blandning av polymerer som ger och tar emot elektroner för att generera elektrisk ström när de utsätts för ljus. Den nya polymeren som utvecklats av Yus grupp, kallad PID2, förbättrar effektiviteten för elproduktion med 15 procent när den läggs till en standardpolymer-fullerenblandning.

"Fulleren, en liten kolmolekyl, är ett av standardmaterialen som används i polymersolceller", säger Lu. "I grund och botten, i polymersolceller har vi en polymer som elektrondonator och fulleren som elektronacceptor för att möjliggöra laddningsseparation."

I sitt arbete lade forskarna till ytterligare en polymer i enheten, vilket resulterade i solceller med två polymerer och en fulleren.

8.2 procents effektivitet

Gruppen uppnådde en verkningsgrad på 8.2 procent när en optimal mängd PID2 tillsattes – den högsta någonsin för solceller som består av två typer av polymerer med fulleren – och resultatet antyder att ännu högre verkningsgrader kan vara möjliga med ytterligare arbete.

Gruppen, som inkluderar forskare vid Argonne National Laboratory, arbetar nu för att driva effektiviteten mot 10 procent, ett riktmärke som är nödvändigt för att polymersolceller ska vara livskraftiga för kommersiell tillämpning.

Resultatet var anmärkningsvärt inte bara på grund av de tekniska framstegen, konstaterar Yu, utan också på grund av att PID2 förbättrade effektiviteten via en ny metod. Standardmekanismen för att förbättra effektiviteten med en tredje polymer är att öka absorptionen av ljus i enheten.

Så fungerar det

Men utöver den effekten fann teamet att när PID2 lades till transporterades laddningar lättare mellan polymerer och genom hela cellen.

För att en ström ska genereras av solcellen måste elektroner överföras från polymer till fulleren i enheten. Men skillnaden mellan elektronenerginivåer för standardpolymer-fulleren är tillräckligt stor för att elektronöverföring mellan dem är svår. PID2 har energinivåer mellan de andra två och fungerar som en mellanhand i processen.

"Det är som ett steg," säger Yu. "När det är för högt är det svårt att klättra upp, men om du sätter ett steg till i mitten så kan du lätt gå upp."

Tillsatsen av PID2 fick polymerblandningen att bilda fibrer, vilket förbättrar elektronernas rörlighet genom hela materialet. Fibrerna fungerar som en väg för att låta elektroner färdas till elektroderna på solcellens sidor.

"Det är som att du skapar en gata och någon som reser längs gatan kan hitta ett sätt att gå från den här änden till en annan", förklarar Yu.

För att avslöja denna struktur utförde Wei Chen från Materials Science Division vid Argonne National Laboratory och Institute for Molecular Engineering röntgenspridningsstudier med hjälp av den avancerade fotonkällan i Argonne och den avancerade ljuskällan vid Lawrence Berkeley.

"Utan det är det svårt att få insikt om strukturen", säger Yu. "Det gynnar oss enormt."

"Denna kunskap kommer att fungera som en grund för att utveckla högeffektiva organiska solceller för att möta landets framtida energibehov," tillägger Chen.

Källa: University of Chicago
ursprungliga studien

Om författaren

Emily Conover är en vetenskapsskribent med expertis inom fysik och astronomi. Hon skriver för University of Chicago News Office och sin egen personliga vetenskapsblogg, Weak Interactions, och är tillgänglig för frilansande vetenskap eller tekniskt skrivande.

Avslöjande: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research och US Department of Energy finansierade forskningen.

Rekommenderad bok:

Green Wizardry: Conservation, Solar Power, Organic Gardening, and Other Praktiska färdigheter från lämplig teknisk verktygslåda - av John Michael greer

I antiken var en trollkarl en frilans intellektuell vars huvudlager i handeln var bra råd, med stöd av en grundlig utbildning inom jordbruk, navigering, politisk och militärvetenskap, språk, handel, matematik, medicin och naturvetenskap. Denna bok är en måste-läs för alla som är bekymrade över att minska vårt beroende av ett överbelastat industrisystem och i en värld av allvarliga energimangel och ekonomiska problem, vilket gör livet mycket mindre traumatiskt och mer livligt. Från de grundläggande begreppen ekologi till en uppsjö av praktiska tekniker är Green Wizardry en omfattande manual för dagens trollkarl i träning.

Klicka här för mer info och / eller för att beställa den här boken.