Organische zonnecellen die op oppervlakken kunnen worden geverfd of bedrukt, worden steeds efficiënter, en zijn nu veelbelovend voor integratie in toepassingen zoals kleding waarvoor ze ook flexibel moeten zijn.

Het laboratorium van de Rice University van chemisch en biomoleculair ingenieur Rafael Verduzco heeft flexibele organische fotovoltaïsche cellen ontwikkeld die nuttig kunnen zijn waar constant, opwekking met laag vermogen is voldoende.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Chemie van materialen .

Organische zonnecellen zijn afhankelijk van op koolstof gebaseerde materialen, waaronder polymeren, in tegenstelling tot hard, anorganische materialen zoals silicium, om zonlicht op te vangen en om te zetten in stroom. Organische producten zijn ook dun, lichtgewicht, semi-transparant en goedkoop. Terwijl midden op de weg, reclame, op silicium gebaseerde zonnecellen presteren met een efficiëntie van ongeveer 22 procent - de hoeveelheid zonlicht die wordt omgezet in elektriciteit - organische pieken met ongeveer 15 procent.

"Het veld is al lange tijd geobsedeerd door de efficiëntiegrafiek, "Zei Verduzco. "De efficiëntie van deze apparaten is toegenomen, maar mechanische eigenschappen zijn ook erg belangrijk, en dat deel is verwaarloosd.

"Als je dingen uitrekt of buigt, je krijgt scheuren in de actieve laag en het apparaat faalt."

Verduzco zei dat een manier om het broze probleem op te lossen, zou zijn om polymeren of andere organische halfgeleiders te vinden die van nature flexibel zijn. maar zijn lab nam een ​​andere koers. "Ons idee was om vast te houden aan de materialen die gedurende 20 jaar zorgvuldig zijn ontwikkeld en waarvan we weten dat ze werken, en een manier vinden om hun mechanische eigenschappen te verbeteren, " hij zei.

In plaats van een gaas te maken en de halfgeleidende polymeren erin te gieten, de Rice-onderzoekers vermengden zich met op zwavel gebaseerde thiol-een-reagentia. De moleculen vermengen zich met de polymeren en verknopen vervolgens met elkaar om flexibiliteit te bieden.

Het proces is niet zonder kosten, omdat te weinig thiol-een de kristallijne polymeren vatbaar maakt voor barsten onder spanning, terwijl te veel de efficiëntie van het materiaal dempt.

Testen hielp het lab zijn Goudlokje Zone te vinden. "Als we 50 procent van de actieve laag vervangen door dit gaas, het materiaal zou 50 procent minder licht krijgen en de stroom zou afnemen, "Zei Verduzco. "Op een gegeven moment, het is niet praktisch. Zelfs nadat we bevestigden dat het netwerk zich aan het vormen was, we moesten bepalen hoeveel thiol-een we nodig hadden om breuken te onderdrukken en het maximum dat we erin konden stoppen zonder het waardeloos te maken als elektronisch apparaat."

Bij ongeveer 20 procent thiol-een, ze ontdekten dat cellen hun efficiëntie behielden en flexibeler werden. "Het zijn kleine moleculen en verstoren de morfologie niet veel, "Zei Verduzco. "We kunnen ultraviolet licht schijnen of warmte toepassen of gewoon wachten, en na verloop van tijd zal het netwerk zich vormen. De chemie is mild, snel en efficiënt."

De volgende stap was het oprekken van het materiaal. "Pure P3HT (de actieve laag op basis van polythiofeen) begon te barsten bij ongeveer 6 procent spanning, "Zei Verduzco. "Toen we 10 procent thiol-een toevoegden, we zouden het tot 14 procent kunnen belasten. Bij ongeveer 16 procent belasting begonnen we scheuren door het materiaal te zien."

Bij stammen hoger dan 30 procent, het materiaal bewoog prima, maar werd onbruikbaar als zonnecel. "We ontdekten dat er in wezen geen verlies is in onze fotostroom tot ongeveer 20 procent, "zei hij. "Dat lijkt de goede plek te zijn."

Schade onder spanning had invloed op het materiaal, zelfs wanneer de spanning werd opgeheven. "De spanning heeft invloed op hoe deze kristaldomeinen zich inpakken en vertaalt zich in microscopisch kleine breuken in het apparaat, "Zei Verduzco. "De gaten en elektronen hebben nog steeds paden nodig om bij de tegenovergestelde elektroden te komen."

Hij zei dat het lab verwacht verschillende organische fotovoltaïsche materialen te proberen, terwijl het werkt om ze rekbaarder te maken met minder additieven voor grotere testcellen.