Materialforskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har uppnått ett nytt rekord i prestanda för ekologiska, icke-fullerenbaserad, enkorsade solceller. Genom att använda en serie komplexa optimeringar, de uppnådde en certifierad effektomvandlingseffektivitet på 12,25 procent på en yta som mäter en kvadratcentimeter. Denna standardiserade yta är det första steget för prototyptillverkning. Resultaten, uppnåtts i samarbete med partners från South China University of Technology (SCUT), har nu publicerats i Naturenergi .

Organiska solcellssystem har genomgått en snabb utveckling under de senaste åren. I de flesta fallen, organiska solceller består av två lager av halvledare - en fungerar som donator genom att tillföra elektronerna, och den andra fungerar som en acceptor eller elektronledare. I motsats till kisel som konventionellt används, som måste tas från en smälta eller fällas ut i vakuumsystem, polymerskikten i detta system kan avsättas från en lösning direkt på en bärande film. Å ena sidan, detta innebär jämförbart låga tillverkningskostnader, och på den andra, dessa flexibla moduler kan användas lättare än kiselsolceller i stadsrum. Under en lång tid, fullerener, som är kolbaserade nanopartiklar, ansågs vara idealiska accepterare, men de inneboende förlusterna av fullerenbaserade kompositer begränsar fortfarande allvarligt deras potentiella effektivitet. Arbetet som bedrivits vid FAU har alltså resulterat i ett paradigmskifte. "Med våra partner i Kina, vi har upptäckt en ny organisk molekyl som absorberar mer ljus än fullerener som också är mycket hållbar, " säger Prof. Dr. Christoph Brabec, Ordförande i Materialvetenskap (Materials in Electronics and Energy Technology) vid FAU.

Komplex standardisering

De betydande förbättringarna i prestanda och hållbarhet gör att de organiska hybridtryckta solcellerna nu blir intressanta för kommersiellt bruk. Dock, att utveckla praktiska prototyper, Tekniken måste överföras från laboratoriemått på några kvadratmillimeter till standardmåttet en kvadratcentimeter.

"Betydande förluster inträffar ofta under skalning, " säger Dr Ning Li, en materialvetare vid Prof. Brabec's Chair. Under ett projekt finansierat av den tyska forskningsstiftelsen (DFG), Ning Li och hans kollegor vid SCUT i Guangzou kunde avsevärt minska dessa förluster. I en komplex process, de justerade ljusabsorptionen, energinivåer och mikrostrukturer hos de organiska halvledarna. Huvudfokus för denna optimering var kompatibiliteten mellan givare och mottagare, och balansen mellan kortslutningsströmdensitet och öppen spänning, som är viktiga förutsättningar för en hög effekt av el.

Certifierad rekordeffektivitet

"Jag tror att det bästa sättet att beskriva vårt arbete är genom att föreställa mig en låda med legoklossar, " säger Li. "Våra partners i Kina infogade och justerade enskilda molekylära grupper i polymerstrukturen, och var och en av dessa grupper påverkar en speciell egenskap som är viktig för solcellernas funktion." Detta resulterar i en effektomvandlingseffektivitet på 12,25 procent – ​​ett nytt certifierat rekord för lösningsbaserade organiska solceller med en korsning med en yta på en kvadratcentimeter, där acceptorn inte består av fullerener. Det är också intressant att notera att forskarna lyckades hålla skalningsförlusterna på så låga nivåer att det högsta värdet i labbet på en liten yta endast var marginellt under 13 procent. På samma gång, de kunde visa en stabilitet som är relevant för produktion under simulerade förhållanden som temperatur och solljus.

Nästa steg innebär att skala upp modellen till modulstorlek på Solar Factory of the Future på Energie Campus Nürnberg (EnCN) innan utvecklingen av praktiska prototyper börjar.