De directe omzetting van zonlicht in elektriciteit met behulp van fotovoltaïsche energie wordt een steeds belangrijker technologie voor de opwekking van hernieuwbare energie als vervanging voor fossiele brandstoffen, met toepassingen van grootschalige opwekking tot zonnepanelen op het dak en zelfs mobiele telefoons. Maar fotovoltaïsche energie vormt nog steeds slechts een marginaal deel van de wereldwijde energievoorziening. Een van de belangrijkste redenen hiervoor zijn de relatief hoge kosten van het basismateriaal - silicium - dat wordt gebruikt in het meest voorkomende type zonnecel.

Silicium is een populair medium voor conversie van zonne-energie vanwege de hoge conversie-efficiëntie, maar de groeiende vraag naar het gebruik ervan in fotovoltaïsche cellen veroorzaakt een tekort aan het aanbod van het hoogwaardige silicium dat nodig is voor zonneceltoepassingen. De productie van silicium en de fabricage van de zonnecellen vereist ook sterk gecontroleerde cleanrooms voor de verwerking van halfgeleiders, wat bijdraagt ​​aan de totale productiekosten. In aanvulling, er is een toenemende vraag vanuit de markt naar grote oppervlakten, lichtgewicht, flexibele energiebronnen voor draagbare elektronica en stroomvoorziening in afgelegen gebieden. “Een goedkope, flexibel alternatief voor of aanvulling op silicium is van cruciaal belang voor de toekomst van fotovoltaïsche technologie, ” zegt Jie Zhang, programmamanager fotovoltaïsche energie en senior wetenschapper bij de Synthesis &Integration-groep van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

Organische input

Materiaalonderzoekers stellen alles in het werk om fotovoltaïsche systemen te bedenken die deze afhankelijkheid van silicium kunnen verlichten. Bij de IMRE, onderzoekers ontwikkelen organische halfgeleiders, die mogelijk silicium in zonnecellen zou kunnen vervangen, als onderdeel van hun afdrukbare elektronicaprogramma. Afdrukbare elektronica omvat het gebruik van op polymeren gebaseerde halfgeleidermoleculen, die gemakkelijk kan worden opgelost in oplosmiddel zoals inkt en als circuits op flexibele films kan worden afgedrukt zonder dat er dure cleanroom-faciliteiten nodig zijn. Een belangrijk voordeel van printbare elektronica is dat de technologie compatibel is met bestaande industriële printtechnieken. De technologie maakt het mogelijk om toepassingen te verkennen die extreme flexibiliteit vereisen, zoals flexibele displays en elektronisch papier.

De meeste fotovoltaïsche cellen zijn gebaseerd op kristallijn silicium, wat de duurste vorm van silicium is om te produceren. Een tweede generatie zonnecellen op basis van veel goedkopere dunne-film amorf silicium op glas of metaal komt nu commercieel beschikbaar in de vorm van display-achtergrondverlichting en soortgelijke toepassingen. Fotovoltaïsche cellen op basis van organische moleculen worden beschouwd als de derde generatie van deze technologie, en de aanpak trekt de aandacht vanwege de mogelijkheden van mechanische flexibiliteit en oplossingsverwerkbaarheid. Organische zonnecellen zijn ook aantrekkelijk omdat ze geschikt zijn voor gebruik binnenshuis - in tegenstelling tot apparaten op basis van silicium kunnen organische zonnecellen stroom opwekken bij weinig licht in binnenomgevingen. De praktische toepassing van organische stoffen in fotovoltaïsche cellen, echter, is beperkt vanwege de slechte omzettingsefficiëntie van de bekende organische verbindingen voor natuurlijk licht. “We willen organische fotovoltaïsche materialen ontwikkelen die zo efficiënt mogelijk fotonen van zonlicht absorberen, ” zegt Zhikuan Chen, groepshoofd en senior wetenschapper van de IMRE's Synthesis &Integration-groep. Chen is verantwoordelijk voor de ontwikkeling van hoogwaardige halfgeleidende polymeren.

Polythiofeenderivaten zijn de meest bestudeerde organische materialen voor fotovoltaïsche en sommige rapporten hebben aangetoond dat deze materialen een hoge ladingsmobiliteit hebben, wat een belangrijke parameter is voor de prestaties van fotovoltaïsche cellen. Echter, onderzoekers hebben het moeilijk gevonden om tegelijkertijd een hoge conversie-efficiëntie en een hoge laadmobiliteit te bereiken.

In hun meest recente onderzoek Het team van Chen combineerde thiofeen met benzothiadiazool om een ​​copolymeer te vormen met een smalle energiebandafstand die geschikt is voor de absorptie van zonlicht. Een veldeffecttransistor op basis van dit polymeer bereikte een ladingsmobiliteit die vergelijkbaar is met die van in de handel verkrijgbare veldeffecttransistoren op basis van polymeer. Tegelijkertijd, het apparaat behaalde een conversie-efficiëntie van 6,26%, een van de beste resultaten voor een polymeer. “We werken nu aan nieuwe licht-oogstende polymeren en nieuwe elektronen-transporterende materialen om de conversie-efficiëntie te verbeteren tot 10%, ', zegt Chen. Op dat niveau van efficiëntie, de massaproductie van organische fotovoltaïsche cellen zou levensvatbaar worden.

Roll-to-roll productie van grote oppervlakken van bedrukte elektronica en functionele films

De mogelijkheid om organische en anorganische moleculen over grote oppervlakken te printen of af te zetten, opent ook een reeks nieuwe toepassingen voor organische fotovoltaïsche zonne-energie met een groot oppervlak, gedrukte elektronica en functionele films. A*STAR-wetenschappers en -ingenieurs werken nu aan het oplossen van een aantal uitdagingen in het productieproces als onderdeel van een 'opschalingsproject' dat wordt uitgevoerd door het Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech). Het opschalingsproject wordt geleid door het team van Albert Lu, een senior wetenschapper en programmamanager voor het Large-Area Processing Program bij SIMTech.

Lu en zijn collega's streven naar disruptieve technologieplatforms voor de roll-to-roll-productie van organische en anorganische bedrukbare functionele materialen. Dit proces kan worden gebruikt voor de massaproductie van zowel dikke- als dunnefilmapparaten, waaronder sensoren, batterijen en fotovoltaïsche apparaten. De onderzoekers kijken met name hoe 'inkt'-moleculen met hoge precisie kunnen worden afgezet op flexibele substraten tot 1 meter breed. Ze onderzoeken ook processen voor patroonvorming, embossing en lamineren van functionele films, evenals technieken voor webinspectie en webmechatronica. In tegenstelling tot conventionele fabricage van elektronische circuits, die de batchverwerking van wafels vereist, verwerkingssystemen met een groot oppervlak omvatten een continu drukpersachtig productieproces. “Roll-to-roll-verwerking stelt heel andere uitdagingen dan conventionele halfgeleiderverwerking, maar zal naar verwachting een nieuw tijdperk van gedrukte elektronica en functionele films openen, ' zegt Lu.

SIMTech is momenteel bezig met het opzetten van een proefproductiesysteem dat in staat is om geprinte elektronica met een groot oppervlak en functionele films tot een baanbreedte van 1 meter te verwerken. Lu zegt dat SIMTech ook nauw samenwerkt met de print- en media-industrie in Singapore om snel opkomende marktkansen te benutten en gebruik te maken van high-speed productietechnologieën zoals inkjetprinten, zeefdruk en flexodruk.

Fotonen vangen met nanostructuren

Organische materialen zijn veelbelovend voor fotovoltaïsche zegt Lu, maar ze zullen silicium niet volledig kunnen vervangen. In feite, onderzoek naar effectiever gebruik van silicium is nog springlevend. Aan het A*STAR Instituut voor Micro-elektronica, Navab Singh, een hoofdonderzoeker van het Nano Electronics &Photonics Program, maakt micro-elektronische aanpassingen om het nut van silicium in fotovoltaïsche energie te verbeteren.

Klassieke op silicium gebaseerde zonnecellen zijn gemaakt van twee lagen van verschillende soorten silicium - n-type (elektronenrijk) en p-type (gatenrijk) - die met elkaar in contact worden gebracht om een ​​elektronische junctie te vormen. Elektrische stroom wordt gegenereerd wanneer licht dat het silicium bereikt, vrije elektronen- en gatenparen vrijgeeft binnen een korte afstand van het junctie-interface. Door reflectie en de absorptie van licht op locaties weg van de kruising, het aantal elektron-gatparen dat deelneemt aan energieopwekking is relatief laag in de klassieke structuur. Om deze tekortkomingen aan te pakken, Singh en zijn collega-onderzoekers proberen honderden nano-sized, op silicium gebaseerde fotovoltaïsche pilaren op het siliciumoppervlak. “Als je patronen op nanoschaal maakt op het bovenoppervlak, het vermindert niet alleen reflectie, maar het kan ook de absorptie van licht in een zeer dunne siliciumlaag vergroten, zodat alle dragers dicht bij de kruising kunnen worden gegenereerd”, zegt Singh. "Dit proces verlaagt ook de materiaalkosten." Singh zegt dat de nanopijlertechnologie van zijn team slechts een laag van 2 micrometer nodig heeft, vergeleken met de 300 micrometer dikke lagen die nodig waren in eerdere ontwerpen.

Met behulp van deze nanopijlertechnologie, Singh en zijn collega's hebben onlangs de hoogste stroomdichtheid aangetoond die tot nu toe is bereikt voor nanogestructureerde op silicium gebaseerde zonnecellen. Ze onderzoeken ook andere manieren om de prestaties verder te verbeteren. Een van de onderwerpen waarover actief wordt gediscussieerd, is hoe de fotovoltaïsche apparaten moeten worden ontworpen om volledig gebruik te maken van zonne-energie, zoals het ontwerpen van meerdere knooppunten met verschillende materialen van siliciumlegeringen en het ontwerpen van structuren die het genereren van meerdere elektron-gatparen bevorderen. Compatibiliteit met bestaande halfgeleiderproductieprocessen is ook een belangrijke ontwerpparameter. “We maken gebruik van bestaande technologie om dingen spannender te maken, ', zegt Singh.