(Phys.org) —Een nieuwe versie van zonnecellen, gemaakt door laboratoria aan de universiteiten van Rice en Pennsylvania, zou de deur kunnen openen voor onderzoek naar een nieuwe klasse van zonne-energieapparaten.

De fotovoltaïsche apparaten die zijn gemaakt in een project onder leiding van Rice chemisch ingenieur Rafael Verduzco en Penn State chemisch ingenieur Enrique Gomez, zijn gebaseerd op blokcopolymeren, zelfassemblerende organische materialen die zich in verschillende lagen rangschikken. Ze presteren gemakkelijk beter dan andere cellen met polymeerverbindingen als actieve elementen.

De ontdekking wordt online gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Hoewel commercieel, op silicium gebaseerde zonnecellen zetten ongeveer 20 procent van het zonlicht om in elektriciteit en experimentele eenheden boven 25 procent, er is een onderstroom van onderzoek naar op polymeren gebaseerde cellen die de kosten van zonne-energie aanzienlijk kunnen verlagen, zei Verduzco. De Rice/Penn State-cellen bereiken een efficiëntie van ongeveer 3 procent, maar dat is verrassend beter dan andere laboratoria hebben bereikt met behulp van polymeerverbindingen.

"Je hebt twee componenten nodig in een zonnecel:één om (negatieve) elektronen te vervoeren, de andere om positieve ladingen te dragen, " zei Verduzco. De onbalans tussen de twee veroorzaakt door de toevoer van energie - zonlicht - zorgt voor nuttige stroom.

Sinds het midden van de jaren tachtig is onderzoekers hebben met beperkt succes geëxperimenteerd met het stapelen of mengen van polymeercomponenten, zei Verduzco. Latere mengsels van polymeer en fullereen bereikten een efficiëntie van 10 procent, maar de fullerenen – in dit geval, verbeterde C-60 buckyballs - zijn moeilijk om mee te werken, hij zei.

Het Rice-lab ontdekte een blokcopolymeer - P3HT-b-PFTBT - dat zich scheidt in banden van ongeveer 16 nanometer breed. Interessanter voor de onderzoekers was de natuurlijke neiging van de polymeren om banden loodrecht op het glas te vormen. Het copolymeer is ontstaan ​​in aanwezigheid van een glas/indiumtinoxide (ITO) toplaag bij een bescheiden 165 graden Celsius.

Met een laag aluminium aan de andere kant van het apparaat, gebouwd door het Penn State-team, de polymeerbanden strekten zich uit van de bovenste naar de onderste elektroden en zorgden voor een duidelijk pad voor elektronen om te stromen.

"Op papier, blokcopolymeren zijn uitstekende kandidaten voor organische zonnecellen, maar niemand is in staat geweest om zeer goede fotovoltaïsche prestaties te krijgen met behulp van blokcopolymeren, "Zei Verduzco. "We hebben het idee van blokcopolymeren niet opgegeven, want er is eigenlijk maar een handvol van dit soort zonnecellen eerder getest. We dachten dat het mogelijk was om goede prestaties te krijgen met blokcopolymeren als we de juiste materialen ontwierpen en de zonnecellen onder de juiste omstandigheden fabriceerden."

Mysteries blijven, hij zei. "Het is niet duidelijk waarom het copolymeer zichzelf loodrecht op de elektroden organiseert, " zei hij. "Onze hypothese is dat beide polymeren in contact willen komen met het ITO-gecoate glas. We denken dat dit deze oriëntatie afdwingt, al hebben we het nog niet bewezen."

Hij zei dat de onderzoekers willen experimenteren met andere blokcopolymeren en willen leren hun structuren te beheersen om het vermogen van de zonnecel om fotonen te vangen te vergroten en ze in elektriciteit om te zetten. Zodra ze hogere prestaties van de cellen hebben bereikt, het team zal kijken naar langdurig gebruik.

"We zullen ons eerst concentreren op de prestaties, want als we het niet hoog genoeg kunnen krijgen, er is geen reden om enkele van de andere uitdagingen aan te pakken, zoals stabiliteit, "Zei Verduzco. Een zonnecel inkapselen om te voorkomen dat lucht en water afbreken, is gemakkelijk, hij zei, maar het is moeilijk om het in de loop van de tijd te beschermen tegen ultraviolette degradatie. "Je moet het blootstellen aan zonlicht. Dat kun je niet vermijden."