Transparenta solceller kommer att förändra utseendet på infrastrukturen genom att göra det möjligt för många fler ytor att bli solpaneler. Nu kan material som kallas icke-fullerenacceptorer som i sig kan generera laddningar när de utsätts för solljus göra halvtransparenta organiska solceller lättare att producera, visar ett KAUST-ledd internationellt team.
Halvtransparenta solceller kan omvandla solljus till elektricitet utan att blockera synligt ljus. Detta gör dem attraktiva för att bygga integrerade applikationer, såsom fönster, fasader och växthus.
Till skillnad från traditionella kiselbaserade celler kan organiska solceller vara flexibla och kan även skräddarsys för att vara transparenta. Men ju mer genomskinlig solcellen är, desto mindre ljus fångar den för att producera elektricitet.
Organiska solceller förlitar sig vanligtvis på ett aktivt skikt som kallas en bulk heterojunction—bestående av elektrondonator- och acceptormaterial—för att fånga och omvandla solljus. Vid kontakt kan solljus excitera elektroner till högre energitillstånd i heteroövergången, vilket skapar elektron-hål-par, eller excitoner, som lossnar vid donator-acceptor-gränssnittet.
Med denna laddningsseparation migrerar elektronerna mot acceptorn, medan de positivt laddade hålen rör sig mot donatorn och genererar elektricitet. Heterojunctions har vanligtvis lika stora mängder donator- och acceptormaterial för att främja ljusskörd och omvandling, men enheterna är inte transparenta.
Under de senaste fem åren har icke-fullerenacceptorer producerat heterojunction-baserade enheter med rekordstor effektivitet, som närmar sig 20 %-strecket. Men forskare föreslog nyligen att enkomponentfilmer av icke-fullerenacceptorn Y6 kunde generera laddningar utan behov av en heteroövergång när de utsätts för solljus.
Inspirerad av detta fynd undersökte teamet ledd av Derya Baran och postdoc Anirudh Sharma laddningsgenerering i andra icke-fullerenacceptorer. I likhet med Y6 producerade acceptorerna, som starkt absorberar nära-infrarött ljus, laddningar utan ett donator-acceptor-gränssnitt. De gjorde det för att exciton splittrades spontant, vilket förvånade forskarna. Resultaten publiceras i tidskriften Advanced Materials .
"Detta utmanar vår förståelse av hur dessa enheter fungerar och föranleder en omvärdering", säger Sharma.
Forskarna utvecklade termiskt stabila semitransparenta organiska solceller med hjälp av de nästan infrarödabsorberande acceptorerna. Dessa är mer genomskinliga i det synliga området, med eller utan en minimal mängd synligt ljusabsorberande donatormaterial i en heteroövergång.
I frånvaro av donatormaterial presterade enheterna dåligt på grund av en begränsad laddningsseparation. Donatortillsats förbättrade laddningsgenereringen och hålmigreringen mot anoden, vilket förbättrade effektiviteten. "Det här gjorde det möjligt för oss att tillverka solceller som är delvis genomskinliga, samtidigt som vi omvandlar solljus till elektricitet", säger Sharma.
Solcellsmoduler baserade på semitransparenta enheter resulterade i 5,3 % effektivitet och 82 % synlig transmittans, vilket indikerar deras höga grad av transparens.
"Vi undersöker nu nästa generations icke-fullerenacceptorer på en grundläggande nivå för att förstå deras fotofysik och hur laddningstransportlager påverkar den övergripande prestandan hos homo-junction-enheter", säger Sharma.
Mer information: Anirudh Sharma et al, Semitransparent Organic Photovoltaics Utnyttja Intrinsic Charge Generation i icke-fullerenacceptorer, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202305367
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av King Abdullah University of Science and Technology
