26 november 2021

En liten gästmolekyl på rätt ställe gör det nu möjligt att tillverka energieffektiva organiska solceller i enbart miljövänliga material. Energieffektiviteten ligger över 17 procent och solcellen har också kunnat tillverkats på en större yta.

Postdoktor Rui Zhang i laboratoriet
– Våra resultat öppnar nu för en tillverkning av organiska solceller även i större skala för utomhusmiljöer, säger Rui Zhang, postdoktor vid Avdelningen för elektroniska- och fotoniska material Fotograf: Olov Planthaber
– Det här är ett stort och viktigt steg mot industriell tillverkning i stor skala av miljövänliga och stabila organiska solceller, säger Feng Gao, professor vid Institutionen för kemi, fysik och biologi, vid Linköpings universitet.

Rui Zhang håller fram den lila solcellenRui Zhang med den nya solcellen. Foto Olov PlanthaberResultatet har publicerats i Nature Energy.

Utvecklingen av organiska solceller går snabbt och energieffektiviteten i solceller tillverkade i laboratorierna ligger idag runt 18 procent som mest. Energieffektiviteten är ett mått på hur stor del av energin i solens strålar som omvandlas till användbar energi i solcellen. Den teoretiska gränsen anses ligga runt 24 procent för organiska solceller.

En utmaning är att göra de organiska solcellerna tillräckligt stabila så att de fortsätter att fungera i tio år eller mer. Den högsta energieffektiviteten har dessutom nåtts i organiska solceller som tillverkats i lösningar som innehåller giftiga ämnen och har en relativt låg kokpunkt. Den låga kokpunkten ställer till det i tillverkningen då lösningsmedlet ångar bort lite för snabbt. När forskarna använt mer miljövänliga lösningsmedel med högre kokpunkt har energieffektiviteten genast dalat. Ett dilemma som forskare världen över arbetar för att lösa.

Gröna ingredienser och hög kokpunkt

Problemet har nu fått en lösning i ett gemensamt projekt under ledning av forskare vid Linköpings universitet och Soochow University i Kina.

Gruppen har lyckats få fram en solcell, tillverkad i en lösning med hög kokpunkt och utan några giftiga ingredienser, med en energieffektivitet på över 17 procent.
De har dessutom, med samma metod, lyckats tillverka en större modul, 36 cm2 stor, med en energieffektivitet på över 14 procent. Detta är den högsta effektivitet som rapporterats för minst 20 cm2 stora moduler. Båda dessa genombrott är viktiga för att tekniken med organiska solceller ska få sitt kommersiella genombrott i stor skala.

– Våra resultat öppnar nu för en tillverkning av organiska solceller även i större skala för utomhusmiljöer, säger Rui Zhang, postdoktor vid Avdelningen för elektroniska- och fotoniska material, Linköpings universitet.

Nytt acceptormaterial

De organiska solcellernas funktion har utvecklats steg för steg. När solljuset i form av fotoner absorberas i en donator i en halvledande polymer skapas ett så kallat exciterat tillstånd: Elektroner hoppar till ett högre energitillstånd och skapar hål på den lägre energinivån som de dock fortfarande attraheras av. Elektronerna släpper inte riktigt taget och fotoströmmen uteblir. Forskarna experimenterar med att tillsätta olika acceptormaterial, material som accepterar elektroner så att de frigörs och strömmen kommer i gång.

För ett par år sedan hittade kinesiska forskare ett nytt acceptormaterial, kallat Y6, som ger hög effektivitet i organiska solceller.

Gästmolekylen

Det forskarna i det nu publicerade arbetet har lyckats med är att hitta en gästmolekyl, kallad BTO, som ser till att Y6-molekylerna i solcellen binds samman så tätt och stabilt i det gröna lösningsmedlet att fotoströmmen sätter fart. Att tillsätta BTO innebär även att solcellen kan tillverkas över större ytor.

– Vår nya strategi leder till nya designregler för att optimera interaktionen mellan organiska donator- och acceptormaterial i lösningar med flera komponenter. Strategin möter de krav som ställs vid utvecklingen av framtidens organiska solcellsteknik, säger professor Yaowen Li, Soochow University.

Den svenska delen av forskningen har finansierats via anslag från bland andra Energimyndigheten, Vetenskapsrådet, Formas, Åforsk och Olle Engkvist stiftelse samt Stiftelsen för strategisk forskning.

Article: A guest-assisted molecular-organization approach for >17% efficiency organic solar cells using environmentally friendly solvents, Haiyang Chen, Rui Zhang, Xiaobin Chen, Guang Zeng, Libor Kobera, Sabina Abbrent, Ben Zhang, Weijie Chen, Guiying Xu, Jiyeon Oh, So-Huei Kang, Shanshan Chen, Changduk Yang , Jiri Brus, Jianhui Hou, Feng Gao, Yaowen Li and Yongfang Li. Nature Energy 2021, DOI 10.1038/s41560-021-00923-5

Professor Feng Gao står och talar med postdoktor Rui Zhang i en korridorFeng Gao och Rui Zhang Foto Olov Planthaber


Kontakt

Relaterade nyheter

Forskare i labbrock håller blå platta (solcell) med pincett.

Så kan giftfria och effektiva solceller tillverkas

Storskalig produktion av organiska solceller med hög effektivitet och minimal miljöpåverkan. Det kan nu bli möjligt genom en ny designprincip som utvecklats vid LiU.

Byggnad från utsidan, skylt med

Tvärvetenskaplig forskning på IVA:s 100-lista

Fem forskningsprojekt från LiU finns med på 100-listan från IVA 2024. Listan samlar årligen projekt som har stor potential att komma till nytta i samhället. Årets lista har fokus på innovation genom tvärvetenskap.

Porträtt Feng Gao.

Han ska skapa framtidens flexibla röntgenteknik

Professor Feng Gao har beviljats 31 miljoner kronor från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse över fem år för att utveckla en ny typ av röntgenteknik. Målet är ett flexibelt material som kan förbättra bildkvaliteten i röntgendetektorer.

Senaste nytt från LiU

Två kvinnor med blombuketter.

Pris för exjobb om hur strategi går från snack till verkstad

Tre viktiga saker går inte att vara utan om ett företags hållbarhetsstrategi ska gå från ord till handling. Civilingenjörerna Rebecca Nygård och Ellinor Lönngren får Christer Giléns stipendium för sitt examensarbete vid Linköpings universitet.

Kvinna utomhus, helbild.

Linda Carlsson blir ny kommunikationsdirektör

Linköpings universitet har utsett Linda Carlsson till ny kommunikationsdirektör. Hon kommer närmast från Universitets- och högskolerådet, UHR

En grupp unga tittar på en datorskärm

Blandad skolmiljö gynnar alla elever

Mer mångfald och mindre segregation i skolan kan höja ambitionerna för alla elever. En skola där barn med olika bakgrund går tillsammans kan också minska negativa effekter av socioekonomiska skillnader.