Trots allt löfte de har visat i labbet, polymera solceller behöver fortfarande "gå i rullning" som de som används vid tryckning av tidningar så att stora ark med acceptabelt effektiva solcellsanordningar kan tillverkas kontinuerligt och ekonomiskt. Polymersolceller erbjuder fördelar jämfört med sina traditionella kiselbaserade motsvarigheter på många sätt, inklusive lägre kostnad, potentiellt mindre koldioxidavtryck och en större variation av användningsområden.

Nya forskningsresultat som rapporterats av ett internationellt team som leds av National Institute of Standards and Technology (NIST) indikerar att "sweet spot" för massproducerande polymersolceller-ett spännande perspektiv i årtionden-kan vara mycket större än vad som anges av den konventionella visdom. I experiment med en modell av en hög volym, rulla-till-rulle bearbetningsmetod, forskarna producerade polymerbaserade solceller med en "effektomvandlingseffektivitet" på bättre än 9,5 procent, bara blyg för det minsta kommersiella målet på 10 procent.

Det är nästan lika bra som små satser som tillverkas i labbet med spin-coating, en metod som producerar högkvalitativa filmer i laboratoriet men som är kommersiellt opraktisk eftersom den slösar bort upp till 90 procent av det initiala bläcket.

Något överraskande för forskarna, deras massproducerade versioner uppvisade molekylär packning och konsistens som bara påminde något om lab-tillverkade sorter, som i bästa fall omvandlar cirka 11 procent av infallande solljus till elektrisk energi.

"Tumregeln" har varit att polymersolceller med hög volym ska se ut precis som de som gjorts i laboratoriet när det gäller struktur, organisation och form på nanometerskala, sa Lee Richter, en NIST-fysiker som arbetar med funktionella polymerer. "Våra experiment tyder på att kraven är mycket mer flexibla än vad som antas, möjliggör större strukturell variation utan att väsentligt offra konverteringseffektiviteten."

"Effektiv tillverkning från rulle till rulle är nyckeln till att uppnå den låga kostnaden, högvolymproduktion som skulle göra det möjligt för solceller att skala till en betydande del av den globala energiproduktionen, "förklarade He Yan, en samarbetspartner från Hong Kong University of Science and Technology.

Teamet experimenterade med ett beläggningsmaterial som består av en fluorerad polymer och en fulleren (även känd som en "buckyball"). Går det tekniska namnet PffBT4T-2OD, polymeren är attraktiv för skalad produktion – och uppnår en rapporterad effektomvandlingseffektivitet på mer än 11 ​​procent. Viktigt, den kan appliceras i relativt tjocka skikt-som bidrar till bearbetning av rullar.

Dock, de bästa solcellerna producerades med spin-coating-metoden, en liten satsprocess. I spinnbeläggning, vätskan doseras på mitten av en skiva eller annat substrat, som roterar för att sprida materialet tills önskad beläggningstjocklek uppnås. Förutom att generera mycket avfall, processen är bitvis – snarare än kontinuerlig – och substratstorleken är begränsad.

Så forskargruppen valde att testa kommersiellt relevanta beläggningsmetoder, speciellt eftersom PffBT4T-2OD kan appliceras i relativt tjocka lager på 250 nanometer och mer, eller ungefär lika stor som ett stort virus. De började med bladbeläggning - liknande att hålla en knivsegg på en bråkdel av en hårsmån ovanför ett behandlat glassubstrat när det glider förbi, måla PffBT4T-2OD på substratet.

En serie röntgenbaserade mätningar avslöjade att temperaturen vid vilken PffBT4T-2OD applicerades och torkades signifikant påverkade den resulterande beläggningens materialstruktur-särskilt orienteringen, avstånd och fördelning av de bildade kristallerna.

Substraten bladbelagda vid 90 grader Celsius (194 grader F) var de bästa prestanda, uppnå en effektkonverteringseffektivitet som toppade 9,5 procent. Förvånande, på nanometernivå, slutprodukterna skilde sig markant från de spinnbelagda "champion"-enheterna som tillverkades i labbet. Detaljerade realtidsmätningar under både bladbeläggning och spin-coating avslöjade att de olika strukturerna uppstod från den snabba kylningen under spin-coating kontra den konstanta temperaturen under bladbeläggningen.

"Realtidsmätningar var avgörande för att utveckla en korrekt förståelse av filmbildningskinetiken och den ultimata optimeringen, sade Aram Amassian, en samarbetspartner från Saudiarabiens King Abdullah University of Science and Technology.

Uppmuntrad av resultaten, teamet utförde preliminära mätningar av PffBT4T-2OD-beläggning bildad på ytan av ett flexibelt plastark. Beläggningen applicerades på NIST:s slitsformsrulle-till-rulle-beläggningslinje, direkt efterliknar storskalig produktion. Mätningar bekräftade att materialstrukturerna gjorda med bladbeläggning och de gjorda med slitsmatrisbeläggning var nästan identiska när de bearbetades vid samma temperaturer.

"Det är tydligt att typen av bearbetningsmetod som används påverkar formen på domänerna och deras storleksfördelning i den slutliga beläggningen, men dessa distinkt olika morfologier undergräver inte nödvändigtvis prestanda, sade Harald Ade, en samarbetspartner från North Carolina State University. "Vi tror att dessa fynd ger viktiga ledtrådar för att designa polymersolceller optimerade för roll-to-roll-bearbetning."