"Vi tror att dessa solceller har en framtid, och kemin är otroligt spännande, ” säger Audun Formo Buene. Kredit:Per Henning, NTNU
Organiska solceller är vanligtvis mindre effektiva än kiselsolceller. Men det finns fortfarande en marknad för dem – och de är vackra och spännande.
Kemister vid NTNU arbetar med en typ av solcell som kallas organisk solcell, tillverkad med en process som gör den färgsensibiliserad. Forskarna har hämtat sin inspiration från molekyler i naturen som växter använder när de fångar solljus, och har återskapat liknande strukturer i labbet.
I kapplöpningen om att göra de mest effektiva solcellerna för utomhusbruk, dock, de färgsensibiliserade solcellerna klarar inte betyget. Silikonsolceller är mer effektiva för det ändamålet.
De organiska solcellerna fungerar bättre när ljuset är svagt, som inomhus, och forskningen som diskuteras i den här artikeln gäller inomhussolceller.
Förmåner inomhus
Organiska solceller kommer till sin rätt inomhus. Jämfört med kiselbaserade solceller, de är oerhört effektiva i ljusförhållanden inomhus. De kan också göras formbara, transparent eller tillverkad i olika färger.
I dag, organiska solceller baserade på gröna och blå färgämnen är mycket efterfrågade. Företag som det schweiziska företaget H.Glass arbetar med att kommersialisera färgsensibiliserade solceller som är integrerade i byggnader. Estetik är mycket viktigare i dessa applikationer.
En annan möjlig inomhusapplikation för organiska solceller är att leverera ström till olika komponenter anslutna till "Internet of Things, " som olika sensorer i smarta hem. Det är också tänkbart att organiska solceller kan användas för att ge enheter som surfplattor och bärbara datorer oändlig batteritid och göra laddning onödig.
"Vi fortsätter att forska på den här tekniken även om andra solceller är mer effektiva för utomhusbruk. Det beror på att vi tror att dessa solceller har en framtid, och för att kemin är otroligt spännande. Trots allt, vårt studieområde är organiska reaktioner, " säger Audun Formo Buene, en färsk doktorsexamen. examen från NTNU:s kemiska institution.
Arbetet kräver tvärvetenskaplig forskning, kombinera organisk kemi, materialteknik, elektronik och fysik. Men vad gör forskarna egentligen?
Många typer av celler
En organisk solcell är byggd lite som en sandwich mellan två glasplattor som leder elektricitet:Ett tunt lager av porösa titanoxidpartiklar ger en stor yta med plats för många färgämnen. När de fångar ljus, färgämnena avger en elektron och kretsen kan stängas med en elektrolytlösning.
Olika typer av organiska solceller finns i överflöd. De använder olika organiska material för att fånga solljuset:färgsensibiliserade solceller, polymerer eller organiska halogenidperovskiter.
Även om andra solceller är mer effektiva för utomhusbruk, NTNU fortsätter att forska om denna teknik för en inomhusmarknad. Kredit:Nils Heldal, NTNU
Perovskites tar över
En annan aspekt av organiska solceller är att den aktuella forskningen ger viktiga byggstenar på vägen mot ytterligare en potentiell solcellsrevolution:mineralet perovskit.
Perovskiter har en mycket specifik kristallstruktur. Mineralet har många användningsområden och finns ofta i supraledare.
Att ersätta färgämnesmolekyler med perovskit gör det möjligt att skapa högeffektiva solceller, även om stabilitet över tid har varit en utmaning för denna teknik.
I laboratorieförsök, mätningar av perovskitsolceller har nyligen visat sig ha verkningsgrader på samma nivå som kiselsolceller.
"Sedan perovskitens genombrott, konkurrensen mellan forskarsamhällena har ökat. Alla vill vara först med att skapa stabila och effektiva perovskitsolceller. Men forskargruppen NTNU stannar kvar med de färgämnesbaserade solcellerna. Med ett så starkt intresse nu fokuserat på perovskite, det betyder att det finns mindre sekretess och mer samarbete mellan forskargrupper som arbetar med andra typer av organiska solceller, säger Buene.
Effektivitet är viktigt, oavsett
Effektivitet är fortfarande den viktigaste faktorn för alla solceller. Buene och hans kollegors arbete är främst inriktat på att öka effektiviteten. Färgämnesmolekylerna måste anpassas till ljusspektrumet, men de måste också hålla sig stabila i flera år inne i solcellen.
Forskargruppen vid NTNU har arbetat mycket med en färgämnesklass som tillhör fenotiazingruppen av organiska föreningar. Färgpulver eller kristaller har ofta en vacker djupt glänsande röd färg. Men forskningen visar att det finns lite att vinna på att vidareutveckla celler med denna typ av färgämne, så forskarna har börjat undersöka en annan klass av substanser.
Att lägga pussel med sina egna bitar
Buene har arbetat systematiskt:han studerade olika atomgrupper, och ändrade sammansättningen i olika delar av molekylstrukturen. Hans mål är att förstå vad som gör ett färgämne bra eller dåligt, och hur man gör bättre färgämnen i framtiden. Det här är som ett pussel där han gör pusselbitarna själv, innan du försöker ta reda på om – och i så fall var – de passar.
Mycket arbete återstår innan solcellerna blir tillräckligt effektiva och billiga för att släppa ut tekniken till allmän egendom. Dock, flera företag arbetar med att kommersialisera tekniken, och kanske en dag kommer du att kunna ha dessa solceller i ditt vardagsrum.
