Forskare från Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har visat högpresterande polymersolceller (PSC) med energiomvandlingseffektivitet (PCE) på 8,92 %, vilket är de högsta värdena som hittills rapporterats för plasmoniska PSC:er som använder metallnanopartiklar (NP) .

En polymersolcell är en typ av tunnfilmssolceller gjorda med polymerer som producerar elektricitet från solljus genom den fotovoltaiska effekten. De flesta kommersiella solceller är gjorda av en mycket renad kiselkristall. De höga kostnaderna för dessa kiselsolceller och deras komplexa produktionsprocess har skapat intresse för att utveckla alternativa solcellstekniker.

Jämfört med silikonbaserade enheter, PSC:er är lätta (vilket är viktigt för små autonoma sensorer), lösningens bearbetbarhet (potentiellt engångsbruk), billigt att tillverka (ibland med tryckt elektronik), flexibel, och anpassningsbar på molekylär nivå, och de har lägre potential för negativ miljöpåverkan. Polymersolceller har väckt stort intresse på grund av dessa många fördelar.

Även om dessa många fördelar, PSC:er lider för närvarande av brist på tillräcklig effektivitet för storskaliga applikationer och stabilitetsproblem, men deras löfte om extremt billig produktion och så småningom höga effektivitetsvärden har lett till att de är ett av de mest populära områdena inom solcellsforskning.

För att maximera PCE, ljusabsorptionen i det aktiva skiktet måste ökas med tjocka bulk heterojunction (BHJ) filmer. Dock, tjockleken på det aktiva skiktet begränsas av de låga bärarrörligheterna hos BHJ-material. Därför, det är nödvändigt att hitta sätt att minimera tjockleken på BHJ-filmer samtidigt som man maximerar ljusabsorptionsförmågan i det aktiva skiktet.

Forskargruppen använde ytplasmonresonanseffekten (SPR) via multipositionella silikabelagda silver-NPs (Ag@SiO2) för att öka ljusabsorptionen. Kiseldioxidskalet i Ag@SiO2 bevarar SPR-effekten av Ag NP genom att förhindra oxidation av Ag-kärnan under omgivande förhållanden och eliminerar också oron för excitonsläckning genom att undvika direktkontakt mellan Ag-kärnor och det aktiva skiktet. Multipositionsegenskapen hänvisar till förmågan hos Ag@SiO2 NP:er att introduceras vid både ITO/PEDOT:PSS (typ I) och PEDOT:PSS/aktiva skikt (typ II) gränssnitt i polymer:fullerenbaserade BHJ PSCs p.g.a. kiseldioxidskalen.

Eftersom PSC har många fördelar, inklusive låg kostnad, lösningens bearbetbarhet, och mekanisk flexibilitet, PSC:er kan användas i olika applikationer. Dock, vi bör bryta effektivitetsbarriären på 10 % för kommersialisering av PSC.

Prof. Kim sa, "Detta är den första rapporten som introducerar metall-NP:er mellan håltransportskiktet och det aktiva skiktet för att förbättra enhetens prestanda. De multipositionella och lösningsbearbetbara egenskaperna hos våra ytplasmonresonansmaterial (SPR) erbjuder möjligheten att använda flera plasmoniska effekter genom att introducera olika metaller nanopartiklar till olika rumsliga platser för högpresterande optoelektroniska enheter via massproduktionstekniker."

"Vårt arbete är meningsfullt att utveckla nya metallnanopartiklar och nästan nå 10% effektivitet genom att använda dessa material. Om vi ​​kontinuerligt fokuserar på att optimera detta arbete, kommersialisering av PSC:er kommer att vara en insikt men inte en dröm, " tillade prof. Park.