Direkt omvandling av solljus till elektricitet med hjälp av solceller blir en allt viktigare teknik för förnybar energiproduktion som ersättning för fossila bränslen, med applikationer från storskalig generation till solpaneler på taket och till och med mobiltelefoner. Men solceller står fortfarande bara för en marginell bråkdel av den globala energiförsörjningen. En av huvudorsakerna till detta är den relativt höga kostnaden för basmaterialet — kisel — som används i den vanligaste typen av solcell.

Kisel är ett populärt medium för solenergiomvandling på grund av dess höga omvandlingseffektivitet, men den växande efterfrågan på dess användning i solcellsceller orsakar brist på tillgången på det högkvalitativa kisel som krävs för solcellstillämpningar. Att producera kisel och tillverka solceller kräver också mycket kontrollerade renrum för halvledande bearbetning, vilket ökar den totala tillverkningskostnaden. Dessutom, det finns ökade efterfrågan på marknaden för stora områden, lättvikt, flexibla energikällor för bärbar elektronik och fjärrström. "En låg kostnad, flexibelt alternativ eller komplement till kisel är avgörande för framtiden för solcellsteknik, säger Jie Zhang, programledare för fotovoltaik och senior forskare vid gruppen Synthesis &Integration vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

Organisk input

Materialforskare gör allt för att utveckla solcellssystem som kan underlätta detta beroende av kisel. På IMRE, forskare utvecklar organiska halvledare, som potentiellt kan ersätta kisel i solceller, som en del av deras utskrivbara elektronikprogram. Utskrivbar elektronik involverar användning av polymerbaserade halvledarmolekyler, som lätt kan lösas upp i lösningsmedel som bläck och tryckas som kretsar på flexibla filmer utan behov av dyra renrumsfaciliteter. En betydande fördel med tryckbar elektronik är att tekniken är kompatibel med befintliga industriella trycktekniker. Tekniken gör det möjligt att utforska applikationer som kräver extrem flexibilitet, som flexibla displayer och elektroniskt papper.

Majoriteten av solcellsceller är baserade på kristallint kisel, vilket är den dyraste formen av kisel att tillverka. En andra generation av solceller baserade på mycket billigare tunnfilms amorft kisel på glas eller metall blir nu kommersiellt tillgängliga i form av displaybakgrundsbelysning och liknande applikationer. Fotovoltaiska celler baserade på organiska molekyler anses vara den tredje generationen av denna teknik, och tillvägagångssättet väcker uppmärksamhet på grund av möjligheterna till mekanisk flexibilitet och lösningsbearbetbarhet. Organiska solceller är också attraktiva eftersom de är lämpliga för inomhusbruk - till skillnad från kiselbaserade enheter kan organiska ämnen generera kraft under svaga ljusförhållanden i inomhusmiljöer. Den praktiska tillämpningen av organiska ämnen i fotovoltaiska celler, dock, har begränsats på grund av den dåliga omvandlingseffektiviteten hos de kända organiska föreningarna för naturligt ljus. "Vi vill utveckla organiska fotovoltaiska material som är så effektiva som möjligt för att absorbera fotoner av solljus, säger Zhikuan Chen, gruppchef och senior forskare i IMRE:s Synthesis &Integration-grupp. Chen är ansvarig för att utveckla högpresterande halvledande polymerer.

Polytiofenderivat är de organiska material som studeras mest för solceller, och vissa rapporter har visat att dessa material har hög laddningsrörlighet, vilket är en viktig parameter för fotovoltaiska cellers prestanda. Dock, forskare har funnit det svårt att uppnå hög konverteringseffektivitet och hög laddningsmobilitet på samma gång.

I deras senaste studie, Chens team kombinerade tiofen med bensotiadiazol för att bilda en sampolymer med ett smalt energiband som lämpar sig för absorption av solljus. En fälteffekttransistor baserad på denna polymer uppnådde laddningsrörlighet jämförbar med den för kommersiellt tillgängliga polymerbaserade fälteffekttransistorer. På samma gång, enheten uppnådde en konverteringseffektivitet på 6,26 %, ett av de bästa resultaten för en polymer. "Vi arbetar nu med nya ljusskördande polymerer och nya elektrontransporterande material för att förbättra omvandlingseffektiviteten till 10 %, säger Chen. På den nivån av effektivitet, massproduktion av organiska fotovoltaiska celler skulle bli livskraftig.

Storarea roll-to-roll-tillverkning av tryckt elektronik och funktionsfilmer

Möjligheten att skriva ut eller deponera organiska och oorganiska molekyler över stora ytor öppnar också upp för en rad nya applikationer för stora organiska solceller, tryckt elektronik och funktionsfilmer. A*STAR-forskare och ingenjörer arbetar nu för att lösa ett antal tillverkningsprocessutmaningar som en del av ett "uppskalningsprojekt" som genomförs av Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech). Uppskalningsprojektet leds av teamet från Albert Lu, en senior vetenskapsman och programledare för programmet för behandling av stora områden på SIMTech.

Lu och hans kollegor eftersträvar störande teknologiplattformar för rull-till-rulle-tillverkning av organiska och oorganiska tryckbara funktionsmaterial. Denna process kan användas för massproduktion av både tjock- och tunnfilmsenheter inklusive sensorer, batterier och solceller. Forskarna tittar särskilt på hur "bläck"-molekyler kan avsättas med hög precision på flexibla substrat på upp till 1 meter i bredd. De undersöker också processer för mönstring, prägling och laminering av funktionsfilmer samt tekniker för baninspektion och banmekatronik. Till skillnad från konventionell tillverkning av elektroniska kretsar, som kräver batchbearbetning av wafers, system för bearbetning av stora ytor involverar en kontinuerlig tryckpressliknande tillverkningsprocess. "Rull-till-rulle-bearbetning innebär helt andra utmaningar än konventionell halvledande bearbetning, men förväntas öppna en ny era av tryckt elektronik och funktionella filmer, säger Lu.

SIMTech håller för närvarande på att etablera ett pilotproduktionssystem som kan bearbeta storarea tryckt elektronik och funktionsfilmer på upp till 1 meter i banbredd. Lu säger att SIMTech också samarbetar nära med tryck- och mediaindustrin i Singapore för att fånga snabbt framväxande marknadsmöjligheter och utnyttja höghastighetstillverkningstekniker som bläckstråleutskrift, screentryck och flexografiskt tryck.

Fånga fotoner med nanostrukturer

Organiska material är lovande för solceller, säger Lu, men de kommer inte att kunna ersätta kisel helt. Faktiskt, forskning om effektivare användning av kisel är fortfarande mycket levande. Vid A*STAR Institute of Microelectronics, Navab Singh, en huvudutredare för Nano Electronics &Photonics Program, gör mikroelektroniska justeringar för att förbättra kiselns användbarhet i solceller.

Klassiska kiselbaserade solceller är gjorda av två lager av olika typer av kisel - n-typ (elektronrik) och p-typ (hålrik) - som bringas i kontakt för att bilda en elektronisk knutpunkt. Elektrisk ström genereras när ljus som når kislet frigör fria elektron- och hålpar inom ett kort avstånd från gränssnittet. På grund av reflektion och absorption av ljus på platser borta från korsningen, antalet elektron-hålpar som deltar i kraftgenerering är relativt lågt i den klassiska strukturen. För att komma till rätta med dessa brister, Singh och hans forskarkollegor försöker implantera hundratals nanostora, kiselbaserade fotovoltaiska pelare på kiselytan. "När du gör mönster i nanoskala på den övre ytan, det minskar inte bara reflektion, men det kan också öka absorptionen av ljus inuti ett mycket tunt kiselskikt så att alla bärare kan genereras nära korsningen, säger Singh. "Denna process minskar också kostnaderna för material." Singh säger att hans teams nanopelarteknologi bara kräver ett 2 mikrometer tjockt lager, jämfört med de 300 mikrometer tjocka lager som behövs i tidigare design.

Genom att använda denna nanopelarteknik, Singh och hans kollegor visade nyligen den högsta strömtätheten som hittills uppnåtts för nanostrukturerade kiselbaserade solceller. De undersöker också andra sätt att förbättra prestandan ytterligare. En av frågorna som diskuteras aktivt är hur man designar solcellsapparaterna så att de kan utnyttja solenergin fullt ut, som att designa flera kopplingar med olika kisellegeringsmaterial och designa strukturer som gynnar generering av flera elektron-hålpar. Kompatibilitet med befintliga halvledartillverkningsprocesser är också en viktig designparameter. "Vi drar nytta av befintlig teknik för att göra saker mer spännande, säger Singh.