(Phys.org) —En ny version av solceller skapade av laboratorier vid Rice och Pennsylvania State University kan öppna dörren till forskning om en ny klass av solenergienheter.

De fotovoltaiska enheterna som skapats i ett projekt som leds av Rice kemiingenjör Rafael Verduzco och Penn State kemiingenjör Enrique Gomez är baserade på blocksampolymerer, självmonterande organiska material som ordnar sig i distinkta lager. De överträffar lätt andra celler med polymerföreningar som aktiva element.

Upptäckten är detaljerad online i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Även om det är kommersiellt, kiselbaserade solceller omvandlar cirka 20 procent av solljuset till elektricitet och experimentenheter överstiger 25 procent, det har förekommit en underström av forskning om polymerbaserade celler som avsevärt kan minska kostnaden för solenergi, sa Verduzco. Rice/Penn State-cellerna når cirka 3 procents effektivitet, men det är förvånansvärt bättre än andra labb har uppnått med polymerföreningar.

"Du behöver två komponenter i en solcell:en för att bära (negativa) elektroner, den andra bär positiva laddningar, ", sa Verduzco. Obalansen mellan de två som föranleds av tillförseln av energi – solljus – skapar användbar ström.

Sedan mitten av 1980-talet, forskare har experimenterat med att stapla eller blanda polymerkomponenter med begränsad framgång, sa Verduzco. Senare polymer/fullerenblandningar toppade 10 procents effektivitet, men fullerenerna – i det här fallet, förbättrade C-60 buckyballs – är svåra att arbeta med, han sa.

Rislabbet upptäckte en blocksampolymer - P3HT-b-PFTBT - som separeras i band som är cirka 16 nanometer breda. Mer intressant för forskarna var polymerernas naturliga tendens att bilda band vinkelrätt mot glaset. Sampolymeren skapades i närvaro av ett toppskikt av glas/indiumtennoxid (ITO) vid blygsamma 165 grader Celsius.

Med ett lager av aluminium på andra sidan av enheten konstruerad av Penn State-teamet, polymerbanden sträckte sig från topp- till bottenelektroderna och gav en fri väg för elektroner att flöda.

"På papper, blocksampolymerer är utmärkta kandidater för organiska solceller, men ingen har kunnat få mycket bra fotovoltaisk prestanda med blocksampolymerer, ", sa Verduzco. "Vi gav inte upp idén om blocksampolymerer eftersom det egentligen bara har testats en handfull av dessa typer av solceller tidigare. Vi trodde att det var möjligt att få bra prestanda med blocksampolymerer om vi designade rätt material och tillverkade solcellerna under rätt förhållanden."

Mysterier kvarstår, han sa. "Det är inte klart varför sampolymeren organiserar sig vinkelrätt mot elektroderna, " sa han. "Vår hypotes är att båda polymererna vill vara i kontakt med det ITO-belagda glaset. Vi tror att det tvingar denna inriktning, även om vi inte har bevisat det ännu."

Han sa att forskarna vill experimentera med andra blocksampolymerer och lära sig att kontrollera deras strukturer för att öka solcellens förmåga att fånga fotoner och omvandla dem till elektricitet. När de har uppnått högre prestanda från cellerna, teamet kommer att titta på långsiktig användning.

"Vi kommer att fokusera på prestanda först, för om vi inte kan få det tillräckligt högt, det finns ingen anledning att ta itu med några av de andra utmaningarna som stabilitet, ", sa Verduzco. Att kapsla in en solcell för att förhindra att luft och vatten försämras är lätt, han sa, men att skydda den från ultraviolett nedbrytning över tid är svårt. "Du måste utsätta den för solljus. Det kan du inte undvika."