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 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

Från labbet till kommersiell produkt – en lång och snårig väg

I ett laboratorium på Linköpings universitet jobbar forskare med att skapa framtidens solceller. Ett tvärvetenskapligt forskningsprojekt ska försöka hitta sätt att göra det kommersiellt.

Postdoktor Rui Zhang i laboratoriet

Solcellsmaterial kan hjälpa självkörande bilar i mörkret

Forskare vid LiU har utvecklat en typ av sensor som kan upptäcka så kallat cirkulärt polariserande rött ljus. Studien banar väg för mer tillförlitliga självkörande fordon och andra användningsområden där mörkerseende är viktigt.

Två personer i ett labb med ett laserinstrument som står på ett bord fullt med sladdar.

Bättre cybersäkerhet med nya material

Digitalt informationsutbyte kan bli både säkrare, billigare och miljövänligare med hjälp av en ny typ av slumpgenerator för kryptering utvecklad vid LiU. Forskarna bakom studien menar att tekniken banar väg för en ny typ av kvantkommunikation.

Senaste nytt från LiU

Tre personer i labbrock står och pratar.

Bättre neutronspeglar kan avslöja materiens inre hemligheter

Med bättre neutronspeglar kan effektiviteten vid materialanalyser i neutronkällor bli högre. Den förbättrade spegeln har LiU-forskare utvecklat genom att belägga en kiselplatta med tunna lager av järn och kisel blandat med borkarbid.

Ensamt barn i silhuett.

Riktlinjer saknas kring barn som utsatts för sexövergrepp

Hälften av 34 undersökta länder i Europa saknar riktlinjer för hur barn som utsatts för sexuella övergrepp ska få hälsovård och behandling. Ett av dem är Sverige. Det visar en studie som gjorts vid Linköpings universitet.

Person intervjuas och pratar om sin avhandling

Sigrid blev dubbeldoktor - vid 26 års ålder

En lång men också väldigt rolig resa, så beskriver Sigrid Nilsson sin tid som forskarstuderande vid Forskarlinjen. För nu har hon disputerat och kan därmed både blicka framåt och bakåt på sin forskning.