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
Feng Gao och Rui Zhang Foto Olov Planthaber
