Framtidens byggnader kan vara utrustade med fönster som kan generera sin egen el, tack vare att jag hittat ett team som leds av Jacqui Cole, en materialvetare från University of Cambridge, STORBRITANNIEN, för närvarande baserad vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

För första gången, Cole och kollegor bestämde molekylstrukturen för fungerande solcellselektroder i en färdigmonterad enhet som fungerar som ett fönster. Fyndet, publicerad i Nanoskala , hjälper till att avancera smart fönsterteknik som kan göra det möjligt för städer att gå närmare målet att vara energihållbar.

Experimenten utfördes på färgkänsliga solceller, som är transparenta och därmed väl lämpade för användning i glas. Försök att skapa smart fönsterteknik har begränsats av de många okända molekylära mekanismerna mellan elektroderna och elektrolyten som kombineras för att avgöra hur enheten fungerar.

"De flesta tidigare studier har modellerat molekylfunktionen för dessa arbetselektroder utan att beakta elektrolytingredienserna, "Cole sa." Vårt arbete visar att dessa kemiska ingredienser tydligt kan påverka prestanda för solceller, så vi kan nu använda denna kunskap för att ställa in jonerna för att öka solcellseffektiviteten. "

För att göra upptäckten, Cole — 1851 Royal Commission 2014 Design Fellow — och hennes kollegor använde neutronreflektometri för att undersöka funktionen och samspelet mellan elektrolytingredienserna och elektroderna i de färgämnesensibiliserade solcellerna. Neutronreflektometri, liknande röntgenreflektometri tekniker, tillåter forskare att mäta strukturen på tunna filmer med hög upplösning. Men det var det faktum att testerna utfördes i ett fönsterliknande system som gjorde en betydande upptäckt.

"Tidigare forskning övervägde de fungerande elektroderna utanför enheten, så det har inte funnits någon väg för att avgöra hur de olika enhetskomponenterna interagerar, "Cole sa." Vårt arbete innebär ett stort steg framåt eftersom det är världens första exempel på att applicera neutronreflektometri in situ på färgkänsliga solceller. "

Tidigare ansträngningar för att karakterisera färgämnet/titandioxidgränssnittet i dessa solceller har begränsats till att bestämma denna gränssnittsstruktur i en miljö utsatt för luft eller i ett lösningsmedium. På grund av dessa begränsningar, dessa solcellsmiljöer är i huvudsak artificiella med begränsad relevans för fönsterapplikationer.

Med denna upptäckt, dock, Cole och kollegor har gått bortom konstgjorda begränsningar. Genom att göra så, de kan bättre förstå hur en tunnfilmselektrod som innehåller titandioxid, en naturligt förekommande förening som finns i färg, solskyddsmedel och matfärg, kan ha en enorm inverkan på solcellens effektivitet.

"Vårt arbete har visat att vissa kemiska ingredienser, några av dem har hittills förbises, kan tydligt påverka solcellernas fotovoltaiska prestanda, Sa Cole.

Mer effektiva solceller som dessa kan flytta smart fönsterteknologi närmare marknaden, sa Cole, tillägger att vetenskapen är nästan där.

"Vi behöver bara en blygsam boost i prestanda för att göra dessa solceller konkurrenskraftiga, "Cole sa, "eftersom pris-till-prestanda styr ekonomin i solcellsindustrin. Och att tillverka färgkänsliga solceller är mycket billigt i förhållande till andra solcellstekniker."

Prestationsmässigt, cellerna slog nyligen ett världsrekord med en effektomvandlingseffektivitet på 14,3 procent med en färgämneskänslig elektrod med två samsensibiliserade metallfria organiska färgämnen. Dessa färgämnen "lovar billigare, mer miljövänliga syntetiska vägar och större flexibilitet i molekylär design än deras metallhaltiga motsvarigheter, "enligt tidningen.

Upptäckten gjordes med kollegor från University of Cambridge, Storbritannien, Australian Nuclear Science and Technology Organization och Rutherford Appleton Laboratory, STORBRITANNIEN. Forskare fortsätter att tillämpa denna materialkarakteriseringsteknik på färgkänsliga solceller, som kan avslöja ytterligare molekylära hemligheter och leda till framtida energitillämpningar.