Zonnecellen leveren een belangrijke bijdrage aan een duurzame energievoorziening, maar afval van zonnepanelen wordt al snel een enorm probleem. Nu, in een recentelijk gepubliceerd onderzoek in Journal of Materials Chemistry A , hebben onderzoekers van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST) de wetenschap onderzocht die zou kunnen helpen de bruikbaarheid van gemakkelijk in massa te produceren, volledig op polymeren gebaseerde zonnecellen te verbeteren.

Wereldwijd komt momenteel ongeveer een derde van de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen. Zonnecellen op basis van silicium leveren de grootste bijdrage, maar er is een toenemend probleem:wat te doen met de panelen na hun levensduur van 30 jaar. Een artikel van mei 2022 in Chemical &Engineering News legt het probleem uit:zelfs wanneer faciliteiten de frames en afdekkingen van de panelen recyclen, worden de meest waardevolle of zelfs giftige elementen gewoon weggegooid. Met een voorspelde 80 miljoen ton afval van zonnepanelen die in 2050 zal zijn geproduceerd, is dit een enorm afvalprobleem.

Op polymeer gebaseerde zonnecellen zijn een mogelijke, minder verspillende oplossing. Dergelijke panelen zijn dun en flexibel, en dus in principe vrij veelzijdig. Toch hebben ze bepaalde problemen; bijvoorbeeld een lagere energieconversie-efficiëntie dan silicium. "Deze efficiëntie wordt aanzienlijk beperkt door de vulfactoren:gewoonlijk minder dan 60%, zelfs bij geavanceerde apparaten", zegt de corresponderende auteur Hiroaki Benten van het Nara Institute of Science and Technology. "De wetenschap die ten grondslag ligt aan de beperkte efficiëntie van zonnecellen die volledig uit polymeren bestaan, is nog onvoldoende onontgonnen."

Een baanbrekend resultaat van dit onderzoek is de hoge vulfactor:70%, wat zelfs voor polymeerfilms van enkele honderden nanometers dik 60% bleef. Concurrerende polymeertechnologie vertoont een vulfactor van 40% bij deze dikte. Dit komt omdat bimoleculaire recombinatie van vrije elektronen met vrije gaten de eerdere vulfactor aanzienlijk remde, maar werd onderdrukt in het huidige onderzoek.

Wat onderdrukte bimoleculaire recombinatie binnen de polymeermengsels? "Er was een aanzienlijke delokalisatie van de kosten in het donor- en acceptordomein", legt Masakazu Nakamura, senior auteur uit. "Een juiste aggregatie van de polymeerdonoren en -acceptoren leidde tot een substantieel geordende lokale structuur van het polymeer, wat hielp om de elektronen van de gaten te scheiden."

Zelfs als onderzoekers het efficiëntieprobleem van volledig polymere zonnecellen volledig oplossen, zullen ze nog steeds de 10-jarige levensduur van de meest geavanceerde onderzoeksprototypes moeten verbeteren. Aanvullende onderzoeksinspanningen omvatten het optimaliseren van de filmmorfologie en zelfs het ontwikkelen van hybride polymeer/silicium-zonnecellen om de energiecollectie en -efficiëntie te optimaliseren. In de komende jaren kunnen zonnecellen er totaal anders uitzien en functioneren dan - en beter dan - de moderne technologie. + Verder verkennen

Verhelderend hoe oplosmiddeladditieven de efficiëntie in polymere zonnecellen verbeteren