Dehnbare Solarzellen einen Schritt weiter

Organische Solarzellen, die auf Oberflächen lackiert oder bedruckt werden können, werden immer effizienter und bieten heute vielversprechende Einsatzmöglichkeiten, wie z.B. in der Bekleidung, die auch eine hohe Flexibilität erfordern.

Das Labor des Chemie- und Biomolekularingenieurs Rafael Verduzco der Rice University hat eine flexible organische Photovoltaik entwickelt, die dort eingesetzt werden kann, wo eine konstante, stromsparende Erzeugung ausreichend ist.

Die Forschung erscheint in der Zeitschrift Chemistry of Materials der American Chemical Society.

Organische Solarzellen basieren auf Materialien auf Kohlenstoffbasis, einschließlich Polymeren, im Gegensatz zu harten, anorganischen Materialien wie Silizium, um Sonnenlicht einzufangen und in Strom umzuwandeln. Organische Stoffe sind außerdem dünn, leicht, semitransparent und kostengünstig. Während mittlere, kommerzielle, siliziumbasierte Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 22 Prozent arbeiten, liegt die in Strom umgerechnete Menge an Sonnenlicht bei rund 15 Prozent.

„Das Feld ist schon seit langem von der Effizienz-Karte besessen“, sagte Verduzco. „Es gab eine Steigerung der Effizienz dieser Geräte, aber auch die mechanischen Eigenschaften sind sehr wichtig, und dieses Teil wurde vernachlässigt.

„Wenn Sie Dinge dehnen oder biegen, bekommen Sie Risse in der aktiven Schicht und das Gerät fällt aus.“

Verduzco sagte, ein Ansatz zur Lösung des spröden Problems wäre es, Polymere oder andere organische Halbleiter zu finden, die von Natur aus flexibel sind, aber sein Labor nahm eine andere Richtung an. „Unsere Idee war es, an den Materialien festzuhalten, die in 20 Jahren sorgfältig entwickelt wurden und die wir kennen, und einen Weg zu finden, ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern“, sagte er.

Anstatt ein Netz zu bilden und die halbleitenden Polymere einzugießen, mischten die Reisforscher Thiol-En-Reagenzien auf Schwefelbasis ein. Die Moleküle verschmelzen mit den Polymeren und vernetzen sich dann miteinander, um Flexibilität zu schaffen.

Das Verfahren ist nicht ohne Kosten, denn zu wenig Thiol-En lässt die kristallinen Polymere unter Belastung rissfähig werden, während zu viel die Effizienz des Materials dämpft.

Tests halfen dem Labor, seine Goldilocks Zone zu finden. „Wenn wir 50 Prozent der aktiven Schicht durch dieses Netz ersetzen würden, würde das Material 50 Prozent weniger Licht erhalten und der Strom würde sinken“, sagte Verduzco. „Irgendwann ist es nicht mehr praktisch. Selbst nachdem wir bestätigt hatten, dass sich das Netzwerk bildete, mussten wir feststellen, wie viel Thiol-en wir zur Unterdrückung von Frakturen benötigten und wie viel wir maximal einsetzen konnten, ohne es als elektronisches Gerät wertlos zu machen.“

Bei etwa 20 Prozent Thiol-En fanden sie heraus, dass die Zellen ihre Effizienz beibehalten und an Flexibilität gewonnen haben. „Sie sind kleine Moleküle und stören die Morphologie nicht sehr“, sagte Verduzco. „Wir können ultraviolettes Licht ausstrahlen, Wärme zuführen oder einfach warten, und mit der Zeit wird sich das Netzwerk bilden. Die Chemie ist mild, schnell und effizient.“

Der nächste Schritt war das Strecken des Materials. „Pure P3HT (die aktive Schicht auf Polythiophenbasis) begann bei etwa 6 Prozent Dehnung zu knacken“, sagte Verduzco. „Als wir 10 Prozent Thiol-En zugesetzt haben, konnten wir es auf 14 Prozent dehnen. Bei etwa 16 Prozent Dehnung sahen wir Risse im gesamten Material.“

Bei Dehnungen von mehr als 30 Prozent biegte sich das Material gut, wurde aber als Solarzelle nutzlos. „Wir haben festgestellt, dass es im Wesentlichen keinen Verlust in unserem Photostrom bis zu etwa 20 Prozent gibt“, sagte er. „Das scheint der Schwachpunkt zu sein.“

Schäden unter Belastung beeinflussten das Material auch bei Entlastung der Dehnung. „Der Stamm beeinflusst die Packung dieser Kristalldomänen und führt zu mikroskopischen Brüchen im Gerät“, sagte Verduzco. „Die Löcher und Elektronen brauchen noch Wege, um zu den gegenüberliegenden Elektroden zu gelangen.“

Er sagte, dass das Labor erwartet, verschiedene organische Photovoltaikmaterialien auszuprobieren, während es arbeitet, um sie dehnbarer zu machen, mit weniger Zusatz für größere Testzellen.

Mehr Informationen:
Jorge Wu Mok et al. Network-Stabilized Bulk Heterojunction Organic Photovoltaics, Chemistry of Materials (2018). DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03791

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