Wetenschap
Een tintje dichter bij efficiëntere organische fotovoltaïsche zonne-energie
Transparante zonnecellen zullen het uiterlijk van de infrastructuur transformeren doordat veel meer oppervlakken zonnepanelen kunnen worden. Nu kunnen materialen die niet-fullereenacceptoren worden genoemd en die intrinsiek ladingen kunnen genereren bij blootstelling aan zonlicht, semitransparante organische fotovoltaïsche zonne-energie gemakkelijker te produceren maken, zo laat een internationaal team onder leiding van KAUST zien.
Semitransparante fotovoltaïsche zonne-energie kan zonlicht omzetten in elektriciteit zonder zichtbaar licht te blokkeren. Dit maakt ze aantrekkelijk voor geïntegreerde bouwtoepassingen, zoals ramen, gevels en kassen.
In tegenstelling tot traditionele op silicium gebaseerde cellen kan organische fotovoltaïsche zonne-energie flexibel zijn en ook op maat worden gemaakt om transparant te zijn. Maar hoe transparanter de zonnecel, hoe minder licht deze opvangt voor de productie van elektriciteit.
Organische zonnecellen vertrouwen doorgaans op een actieve laag die een bulk-heterojunctie wordt genoemd – bestaande uit elektronendonor- en acceptormaterialen – om zonlicht op te vangen en om te zetten. Bij contact kan zonlicht elektronen naar hogere energietoestanden in de heterojunctie brengen, waardoor elektron-gatparen, of excitonen, ontstaan die loskomen op het donor-acceptor-grensvlak.
Met deze ladingsscheiding migreren de elektronen naar de acceptor, terwijl de positief geladen gaten naar de donor bewegen, waardoor elektriciteit wordt opgewekt. Heterojuncties bevatten doorgaans gelijke hoeveelheden donor- en acceptormateriaal om het oogsten en converteren van licht te bevorderen, maar de apparaten zijn niet transparant.
De afgelopen vijf jaar hebben niet-fullereenacceptoren op heterojunctie gebaseerde apparaten geproduceerd met recordbrekende efficiënties, die de grens van 20% naderen. Onderzoekers hebben echter onlangs gesuggereerd dat films met één component van de niet-fullereenacceptor Y6 ladingen kunnen genereren zonder dat er een heterojunctie nodig is bij blootstelling aan zonlicht.
Geïnspireerd door deze bevinding onderzocht het team onder leiding van Derya Baran en postdoc Anirudh Sharma de ladingsgeneratie in andere niet-fullereenacceptoren. Net als bij Y6 produceerden de acceptoren, die nabij-infraroodlicht sterk absorberen, ladingen zonder een donor-acceptorinterface. Dat deden ze omdat het exciton spontaan splitste, wat de onderzoekers verraste. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .
"Dit stelt ons begrip van de werking van deze apparaten op de proef en leidt tot een herevaluatie", zegt Sharma.
De onderzoekers ontwikkelden thermisch stabiele semi-transparante organische fotovoltaïsche zonne-energie met behulp van de nabij-infrarood-absorberende acceptoren. Deze zijn transparanter in het zichtbare gebied, met of zonder een minimale hoeveelheid zichtbaar lichtabsorberend donormateriaal in een heterojunctie.
Bij gebrek aan donormateriaal presteerden de apparaten slecht vanwege een beperkte ladingsscheiding. Donortoevoeging verbeterde de ladingsgeneratie en gatmigratie naar de anode, waardoor de efficiëntie werd verbeterd. "Hierdoor konden we zonnecellen maken die gedeeltelijk doorzichtig zijn, terwijl ze toch zonlicht in elektriciteit omzetten", zegt Sharma.
Zonnepanelen op basis van semi-transparante apparaten resulteerden in een efficiëntie van 5,3% en een zichtbare transmissie van 82%, wat wijst op hun hoge mate van transparantie.
"We onderzoeken nu niet-fullereenacceptoren van de volgende generatie op een fundamenteel niveau om hun fotofysica te begrijpen en hoe ladingstransportlagen de algehele prestaties van homo-junctie-apparaten beïnvloeden", zegt Sharma.