Materiaalwetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben een nieuw record bereikt in de prestaties van organische, niet-fullereen-gebaseerd, single-junction zonnecellen. Met behulp van een reeks complexe optimalisaties, ze behaalden een gecertificeerde energieconversie-efficiëntie van 12,25 procent op een oppervlakte van één vierkante centimeter. Dit gestandaardiseerde oppervlak is het voorbereidende stadium voor de fabricage van prototypes. De resultaten, bereikt in samenwerking met partners van de South China University of Technology (SCUT), zijn nu gepubliceerd in Natuur Energie .

Organische fotovoltaïsche systemen hebben de laatste jaren een snelle ontwikkeling doorgemaakt. In de meeste gevallen, organische zonnecellen bestaan ​​uit twee lagen halfgeleiders - de ene fungeert als donor door de elektronen te leveren, en de tweede fungeert als acceptor of elektronengeleider. In tegenstelling tot het conventionele silicium, die uit een smelt moet worden getrokken of in vacuümsystemen moet worden neergeslagen, de polymeerlagen in dit systeem kunnen vanuit een oplossing direct op een draagfilm worden gedeponeerd. Aan de ene kant, dit betekent vergelijkbaar lage productiekosten, en anderzijds, deze flexibele modules kunnen gemakkelijker worden gebruikt dan siliciumzonnecellen in stedelijke ruimten. Voor een lange tijd, fullerenen, die op koolstof gebaseerde nanodeeltjes zijn, werden beschouwd als ideale acceptanten, maar de intrinsieke verliezen van composieten op basis van fullereen beperken hun potentiële efficiëntie nog steeds ernstig. Het werk van de FAU heeft dus geleid tot een paradigmaverschuiving. "Met onze partners in China, we hebben een nieuw organisch molecuul ontdekt dat meer licht absorbeert dan fullerenen en dat ook nog eens erg duurzaam is, " zegt Prof. Dr. Christoph Brabec, Voorzitter van Materials Science (Materials in Electronics and Energy Technology) bij FAU.

Complexe standaardisatie

De aanzienlijke verbeteringen in prestaties en duurzaamheid betekenen dat de organische hybride geprinte fotovoltaïsche cellen nu interessant worden voor commercieel gebruik. Echter, om praktische prototypes te ontwikkelen, de techniek moet worden overgedragen van laboratoriumafmetingen van enkele vierkante millimeters naar de gestandaardiseerde afmeting van één vierkante centimeter.

"Aanzienlijke verliezen treden vaak op tijdens het opschalen, " zegt dr. Ning Li, een materiaalwetenschapper op de leerstoel van prof. Brabec. Tijdens een project gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG), Ning Li en zijn collega's van SCUT in Guangzou waren in staat om deze verliezen aanzienlijk te verminderen. In een complex proces, ze hebben de lichtabsorptie aangepast, energieniveaus en microstructuren van de organische halfgeleiders. De belangrijkste focus van deze optimalisatie was de compatibiliteit van donor en acceptor, en de balans van kortsluitstroomdichtheid en nullastspanning, die belangrijke voorwaarden zijn voor een hoog elektriciteitsverbruik.

Gecertificeerde recordefficiëntie

"Ik denk dat de beste manier om ons werk te beschrijven is door je een doos met Legoblokjes voor te stellen, ", zegt Li. "Onze partners in China hebben enkele moleculaire groepen in de polymeerstructuur ingevoegd en aangepast, en elk van deze groepen beïnvloedt een speciale eigenschap die belangrijk is voor de functie van zonnecellen." Dit resulteert in een energieconversie-efficiëntie van 12,25 procent - een nieuw gecertificeerd record voor op oplossingen gebaseerde organische single-junction zonnecellen met een oppervlakte van een vierkante centimeter, waarbij de acceptor niet uit fullerenen bestaat. Het is ook interessant om op te merken dat de onderzoekers erin slaagden de schaalverliezen op zo'n laag niveau te houden dat de hoogste waarde in het laboratorium op een klein oppervlak slechts marginaal onder de 13 procent lag. Tegelijkertijd, ze konden een stabiliteit aantonen die relevant is voor de productie onder gesimuleerde omstandigheden zoals temperatuur en zonlicht.

De volgende stap is het opschalen van het model naar modulegrootte in de Solar Factory of the Future op Energie Campus Nürnberg (EnCN) voordat de ontwikkeling van praktische prototypes begint.