Organiska solceller som kan målas eller tryckas på ytor blir allt effektivare, och visar nu löfte om att integreras i applikationer som kläder som också kräver att de är flexibla.

Rice University-labbet av kemi- och biomolekylär ingenjör Rafael Verduzco har utvecklat flexibla organiska solceller som kan vara användbara där konstant, lågenergiproduktion är tillräcklig.

Forskningen visas i tidskriften American Chemical Society Materialkemi .

Organiska solceller är beroende av kolbaserade material inklusive polymerer, i motsats till hårt, oorganiska material som kisel, att fånga solljus och översätta det till ström. Organiska ämnen är också tunna, lättvikt, halvtransparent och billig. Mitt på vägen, kommersiell, kiselbaserade solceller presterar med cirka 22 procent effektivitet – mängden solljus som omvandlas till elektricitet – organiska ämnen toppar med cirka 15 procent.

"Fältet har varit besatt av effektivitetsdiagrammet under lång tid, ", sa Verduzco. "Det har skett en ökning av effektiviteten för dessa enheter, men mekaniska egenskaper är också väldigt viktiga, och den delen har försummats.

"Om du sträcker eller böjer saker, du får sprickor i det aktiva lagret och enheten misslyckas."

Verduzco sa att ett tillvägagångssätt för att lösa det spröda problemet skulle vara att hitta polymerer eller andra organiska halvledare som är flexibla av naturen, men hans labb tog ett nytt grepp. "Vår idé var att hålla fast vid de material som noggrant har utvecklats under 20 år och som vi vet fungerar, och hitta ett sätt att förbättra deras mekaniska egenskaper, " han sa.

Istället för att göra ett nät och hälla i de halvledande polymererna, risforskarna blandade in svavelbaserade tiolenreagenser. Molekylerna blandas med polymererna och tvärbinder sedan med varandra för att ge flexibilitet.

Processen är inte utan kostnad, eftersom för lite tiolen lämnar de kristallina polymererna benägna att spricka under stress, samtidigt som för mycket dämpar materialets effektivitet.

Tester hjälpte labbet att hitta sin Goldilocks Zone. "Om vi ​​ersatte 50 procent av det aktiva lagret med detta nät, materialet skulle få 50 procent mindre ljus och strömmen skulle falla, ", sa Verduzco. "Vid någon tidpunkt, det är inte praktiskt. Även efter att vi bekräftat att nätverket bildades, vi behövde bestämma hur mycket tiolen vi behövde för att undertrycka frakturer och det maximala vi kunde sätta in utan att göra det värdelöst som en elektronisk enhet."

Vid cirka 20 procent tiolen, de fann att cellerna behöll sin effektivitet och fick flexibilitet. "De är små molekyler och stör inte morfologin mycket, ", sa Verduzco. "Vi kan lysa med ultraviolett ljus eller applicera värme eller bara vänta, och med tiden kommer nätverket att bildas. Kemin är mild, snabbt och effektivt."

Nästa steg var att sträcka materialet. "Ren P3HT (det aktiva polytiofenbaserade skiktet) började spricka vid cirka 6 procent spänning, ", sa Verduzco. "När vi tillsatte 10 procent tiolen, vi kunde sträcka upp det till 14 procent. Vid cirka 16 procents belastning började vi se sprickor i hela materialet."

Vid stammar högre än 30 procent, materialet böjde sig fint men blev värdelöst som solcell. "Vi fann att det i princip inte finns någon förlust i vår fotoström upp till cirka 20 procent, " sade han. "Det verkar vara den söta punkten."

Skador under belastning påverkade materialet även när belastningen släpptes. "Stammen påverkar hur dessa kristalldomäner packas och översätts till mikroskopiska brott i enheten, " Sa Verduzco. "Hålen och elektronerna behöver fortfarande vägar för att komma till de motsatta elektroderna."

Han sa att labbet förväntar sig att prova olika organiska fotovoltaiska material samtidigt som de arbetar för att göra dem mer töjbara med mindre tillsatser för större testceller.