När solljuset filtreras genom en trädkrona, klorofyll arbetar hårt för att fånga fotonernas energi. Inspirerad av naturen, forskare vid NTNU arbetar med ljusfångande färgämnen för solceller för att generera el.

Det här är inte den sortens solceller du ser på taket av en byggnad. I dessa kiselsolceller, ljus träffar ett av två halvledarskikt och frigör elektroner för att hoppa mellan skikten. Det är rörelsen av dessa elektroner som skapar en elektrisk ström. En färgsensibiliserad solcell (DSSC) fungerar på liknande sätt, men ett av halvledarskikten ersätts med ett ljuskänsligt färgämne som absorberar ljuset och frigör elektroner istället.

Färgsensibiliserade solceller tenderar inte att vara lika effektiva på att omvandla ljus till elektricitet som deras kiselmotsvarigheter. Men de fungerar i svagt ljus, och kan vara transparent och flexibel, så är bättre lämpade för vissa applikationer. För att verkligen dra full nytta av DSSC:er, ett forskningsprojekt som delvis finansierats av Norges forskningsråd (RCN) letar efter sätt att öka effektiviteten.

I en artikel publicerad i tidskriften Dyes and Pigments, NTNU Ph.D. kandidat David Moe Almenningen och kollegor, Odd Reidar Gautun, Bård Helge Hoff och Svein Sunde har visat att tillsats av en viss molekyl till färgämnena kan öka dess ljusskördande egenskaper – även om det så här långt tillkommer ljus kostar.

För att skörda ljus måste ett färgämne fungera som en elektrondonator och en elektronacceptor.

"När denna molekyl träffas av en solstråle, sedan flyttar elektronen från den elektronrika delen till den elektronfattiga delen, säger Almenningen.

Genom att lägga till något mellan givaren och mottagaren, kemister kan öka mängden ljus som cellen skördar.

Almenningens forskning undersöker tillsatsen av föreningar som innehåller tiofener, en molekyl som liknar bensen men som innehåller svavel. Tiofener är elektronrika, så skulle förväntas öka färgämnets lättskördande egenskaper, han säger. Och de senaste experimenten visar att de gör det:färgämnet med mest tiofener var det som skördade mest ljus.

Ingen förbättring – ännu

Dock, det visar sig att en ökning av mängden ljus som ett färgämne fångar inte automatiskt innebär bättre solceller. Enkelt uttryckt:du kan få fler elektroner, men de går inte nödvändigtvis dit du vill att de ska.

I sina experiment, Almenningen fann att även om den absorberade mest ljus, färgämnet med mest tiofener gjorde faktiskt den minst effektiva solcellen.

"Du tror att du gör något briljant genom att öka förmågan att skörda lätt, men sedan finns det andra reaktioner på gång i solcellen som påverkas negativt av dessa modifieringar, " han säger.

Erbjuder potentiella fördelar

Han och hans kollegor hoppas kunna hitta ett sätt att undvika dessa kontraproduktiva effekter och dra fördel av den förbättrade ljusinsamlingen. Deras nästa steg är att försöka modifiera färgen kemiskt så att elektronerna bara kan gå i en riktning. Om detta lyckas, det kan leda till effektivare solceller.

Att hitta ett sätt att öka effektiviteten hos DSSC:er är en av vägspärrarna för utbredd användning. Den nuvarande högsta verkningsgraden är cirka 12 %, jämfört med närmare 20 % för en traditionell kommersiell kiselsolcell.

Om forskare kan utnyttja ljuset som fångas av färgämnen i dessa solceller mer effektivt, DSSC:er skulle potentiellt erbjuda en fördel jämfört med traditionella kristallina solceller när det gäller uppskalning:de är billiga att tillverka, eftersom de inte behöver ett rent rum eller vakuumteknik.

En lovande väg för DSSC:er skulle vara att integrera dem i byggnader för att fånga det svagare ljuset som vanligtvis finns inomhus.

"Det är där dessa solceller lyser, säger Almenningen. De ser också ganska vackra ut. Du kan anpassa vilken färg du vill, de kan vara genomskinliga."

För Almenningen, fastän, belöningen är att ta reda på hur förändring av den kemiska strukturen påverkar färgämnets prestanda:"Kemin i sig är det som är fascinerande."