In een voorschot dat een flexibeler, goedkoop type zonnecel commercieel levensvatbaar, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben organische zonnecellen aangetoond die een efficiëntie van 15 procent kunnen bereiken.

Dit rendement ligt in het bereik van veel zonnepanelen, of fotovoltaïsche, momenteel op de markt.

"Organische fotovoltaïsche energie kan mogelijk de totale kosten van het zonne-energiesysteem aanzienlijk verlagen, zonne-energie een werkelijk alomtegenwoordige bron van schone energie maken, " zei Stephen Forrest, de Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering en Paul G. Goebel Professor of Engineering, die het werk leidde.

Met een efficiëntie van 15 procent en een levensduur van 20 jaar, onderzoekers schatten dat organische zonnecellen elektriciteit kunnen produceren tegen een kostprijs van minder dan 7 cent per kilowattuur. In vergelijking, de gemiddelde kosten van elektriciteit in de VS bedroegen in 2017 10,5 cent per kilowattuur, volgens de Amerikaanse Energy Information Administration.

Organische zonnecellen nemen koolstof op in hun constructie om verschillende voordelen te bieden ten opzichte van conventionele "anorganische" cellen. Op silicium gebaseerde anorganische zonnepanelen zijn duur om te maken:ze zijn samengesteld uit dikke, stijve platen die vaste installatiepunten vereisen.

Maar op koolstof gebaseerde organische zonnecellen kunnen goedkoop worden vervaardigd in rollen die dun genoeg zijn om te buigen en te buigen rond structuren of in kleding, en maakte elke kleur, zelfs transparant, om op te gaan in hun omgeving.

Ondanks deze voordelen, organische zonnecellen hebben niet de efficiëntie die nodig is om te concurreren met conventionele energiebronnen.

"De laatste paar jaar efficiëntie voor organische fotovoltaïsche energie bleef hangen rond 11 tot 12 procent, " zei Xiaozhou Che, een promovendus bij de opleiding Technische Natuurkunde en eerste auteur van een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur Energie .

Om ze uit deze sleur te halen, de onderzoekers combineerden meerdere vorderingen in ontwerp en proces.

Eerst, ze ontwierpen een systeem dat gespecialiseerde lagen combineert om zowel zichtbaar als infrarood licht te absorberen. In wezen stapelden ze twee organische zonnecellen op elkaar - één die in staat is om licht uit het zichtbare spectrum te absorberen vanaf een golflengte van 350 nanometer, en een andere die in staat is om nabij-infrarood licht tot een golflengte van 950 nanometer te absorberen.

"Zelf, de cellen bereiken een efficiëntie van 10 tot 11 procent, ' zei Che. 'Als we ze op elkaar stapelen, we verhogen de lichtabsorptie en de efficiëntie verbetert tot 15 procent met een antireflectiecoating."

Het stapelen van de cellen vereiste een doorbraak in het proces. Het team ontwikkelde onderling verbindende lagen die schade aan de eerste cel voorkomen, en toch licht en elektrische ladingen doorlaten.

"Dat wordt als een moeilijk proces beschouwd, omdat de kans bestaat dat de vloeistof die wordt gebruikt bij het verwerken van de bovenste cel de lagen die er al onder zijn afgezet, zal oplossen, ' zei Che.

Eindelijk, toonde het team aan dat hun nieuwe ontwerp, materialen en proces hebben een hoog fabricagerendement van meer dan 95 procent. Dit betekent dat de onderzoekers met succes bijna alle apparaten hebben gemaakt zonder kortsluiting, en is belangrijk voor het opschalen van fabricage naar industrieel niveau.

Ondanks recordefficiëntie, het team gelooft dat ze hun vooruitgang nog verder kunnen stimuleren.

"We kunnen de lichtabsorptie verbeteren om de elektrische stroom te verhogen, en minimaliseer het energieverlies om de spanning te verhogen, "Zei Che. "Op basis van berekeningen, voor dit type multijunction-apparaat wordt in de nabije toekomst een efficiëntie van 18 procent verwacht."

De studie, "Hoge fabricageopbrengst organische tandem fotovoltaïsche cellen die vacuüm- en oplossingsverwerkte subcellen combineren met 15% efficiëntie, " is gepubliceerd in Natuur Energie op 23 april 2018.