Infografik som visar samlösningsmedlets effekt på lösningen av två plastkomponenter (polymer- och fullerenmolekyler) under tillverkningsprocessen av plastsolcellen. Utan hjälplösningsmedlet bildas droppar av fullerenmolekyler som begränsar solcellens effektivitet. Med hjälplösningsmedlet viker polymermolekylerna sig mycket snabbare, så att droppar inte kan bildas. Kredit:TU Eindhoven / Hans van Franeker
Effektiviteten hos plastsolceller kan fördubblas eller tredubblas om ett extra lösningsmedel tillsätts under produktionsprocessen, jämförbar med bakpulvrets roll i degblandningen. Exakt hur detta fungerar har varit oklart de senaste tio åren. Men nu har forskare vid Eindhovens tekniska universitet (TU/e) kommit med svaret i en publikation i Naturkommunikation . Denna nya förståelse kommer nu att möjliggöra fokuserad utveckling av plastsolceller.
Plast solceller, även kallade organiska solceller, använd polymerer istället för det vanliga kiselet för att omvandla energin från solljus till elektricitet. Användningen av plast som grundmaterial minskar kostnaden och vikten för dessa solceller, och gör dem flexibla. Men deras effektivitet på cirka 10 procent är fortfarande under den för kommersiella kiselsolceller, som når verkningsgrader på mellan 15 och 20 procent.
Slumpmässig upptäckt
För ungefär tio år sedan, det upptäcktes av en slump att plastsolcellernas effektivitet ökades med en faktor två till tre gånger genom att tillsätta ett extra lösningsmedel (”samlösningsmedel”) under produktionsprocessen. "Dessa hjälplösningsmedel används nu i alla plastsolceller", säger TU/e-professorn René Janssen. "Men ingen visste exakt varför de har en så gynnsam effekt på effektiviteten."
Morfologi
Det var känt att det fanns ett samband med solcellens "morfologi", med andra ord den exakta strukturen av två blandade plastkomponenter i cellen mellan vilka elektroner rör sig under påverkan av solljus. Dessa komponenter – båda organiska material – löses upp under produktionsprocessen, varefter de avdunstar och stelnar. Det mystiska samlösningsmedlet tillsätts alltid till lösningsmedlet före avdunstning.
Droppstorlek
TEM-bild av lösningen med droppar. Upphovsman:TU Eindhoven
Eindhoven-forskarna ledda av René Janssen använde en kombination av optisk teknologi för att hitta en definitiv förklaring. De säger att om de inte tillsatte ett samlösningsmedel, de fann att stora droppar bildades under härdningen av plastblandningen. Dessa har en negativ effekt på elektrontransporten – och som ett resultat på solcellens effektivitet. "Ju mer hjälplösningsmedel du tillsätter lösningen, ju mindre bubblorna visar sig vara, tills de försvinner helt när ett specifikt innehåll nås", säger Janssen.
'Viks' och avdunstar
TEM-bild av lösningen utan droppar. Kredit:TU Eindhoven
De hittade också anledningen till det. "Det finns två effekter som uppstår under härdningsprocessen", säger Janssen. "Å ena sidan avdunstar lösningen, samt att polymerer får en "vikt" struktur. Vi såg att hjälplösningsmedlet gör att denna "vikningsprocess" börjar i ett mycket tidigare skede, vilket innebär att bubblorna i slutändan inte längre bildas alls. "På så sätt fungerar samlösningsmedlet som ett slags" bakpulver ":det förbättrar blandningens struktur, men agenten i sig räcker inte.
Mer effektivt
Forskarna hoppas att deras resultat kommer att göra utvecklingen av plastsolceller mer effektiv. "Hittills var det främst en fråga om försök och misstag", säger Janssen. "Men nu kan vi förutsäga mycket mer exakt vad som sannolikt kommer att fungera, och vad är det inte."
