De höga FF:erna (~70%) för solcellerna av helt polymerblandning uppnåddes på grund av de längre laddningsbärarlivslängderna på grund av de lägre bimolekylära laddningsrekombinationskoefficienterna. Den föredragna blandningsmorfologin för att undertrycka den bimolekylära laddningsrekombinationen kännetecknas av en välordnad lokal struktur på grund av kedjeaggregation av både polymerdonatorn (D) och acceptorn (A). Kredit:Hiroaki Benten
Solceller är en viktig bidragsgivare till en förnybar energiförsörjning, men solpanelsavfall kommer snabbt att bli ett enormt problem. Nu, i en studie som nyligen publicerades i Journal of Materials Chemistry A , forskare från Nara Institute of Science and Technology (NAIST) har undersökt vetenskapen som kan bidra till att förbättra användbarheten av lätt massproducerbara, helt polymerbaserade solceller.
Globalt kommer ungefär en tredjedel av elen för närvarande från förnybara källor. Silikonbaserade solceller är den största bidragsgivaren, men det finns ett ökande problem:vad ska man göra med panelerna efter deras 30-åriga livslängd. En artikel från maj 2022 i Chemical &Engineering News förklarar problemet:även när anläggningar återvinner ramarna och panelerna, kasseras de mest värdefulla eller till och med giftiga elementen helt enkelt. Med en prognostiserad 80 miljoner ton solpanelsavfall att ha producerats till 2050, är detta ett enormt avfallsproblem.
Polymerbaserade solceller är en möjlig och mindre slösaktig lösning. Sådana paneler är tunna och flexibla och är därför i princip ganska mångsidiga. Ändå har de vissa problem; t.ex. en lägre effektomvandlingseffektivitet än kisel. "Denna effektivitet begränsas avsevärt av fyllnadsfaktorerna:vanligtvis mindre än 60 %, även i avancerade enheter", säger motsvarande författare Hiroaki Benten från Nara Institute of Science and Technology. "Vetenskapen som underbygger den begränsade effektiviteten hos solceller i helt polymerblandningar är fortfarande otillräckligt outforskad."
Ett banbrytande resultat av denna forskning är den höga fyllningsfaktorn:70 %, vilket förblev 60 % även för polymerfilmer som är flera hundra nanometer tjocka. Konkurrerande polymerteknologi uppvisar en fyllnadsfaktor på 40 % vid denna tjocklek. Detta beror på att bimolekylär rekombination av fria elektroner med fria hål avsevärt hämmade fyllfaktorn före arbete, men undertrycktes i den aktuella studien.
Vad undertryckte bimolekylär rekombination i polymerblandningarna? "Det skedde en betydande delokalisering av avgifter i donator- och acceptordomänerna", förklarar Masakazu Nakamura, senior författare. "Lämplig aggregering av polymerdonatorerna och acceptorerna ledde till en väsentligt ordnad lokal struktur av polymeren, vilket bidrog till att hålla separationen av elektronerna från hålen."
Även om forskare helt löser effektivitetsproblemet med solceller av helt polymer, kommer de fortfarande att behöva förbättra livslängden på 10 år för de mest avancerade forskningsprototyperna. Ytterligare forskningsinsatser inkluderar att optimera filmmorfologin och till och med utveckla hybridpolymer/kiselsolceller för att optimera energiinsamling och effektivitet. Under de kommande åren kan solceller se ut och fungera helt annorlunda än – och bättre än – modern teknik. + Utforska vidare
