Voor alle beloften die ze hebben getoond in het lab, polymeerzonnecellen moeten nog steeds "aan de gang" zoals die worden gebruikt bij het drukken van kranten, zodat grote vellen acceptabel efficiënte fotovoltaïsche apparaten continu en economisch kunnen worden vervaardigd. Polymere zonnecellen bieden op tal van manieren voordelen ten opzichte van hun traditionele op silicium gebaseerde tegenhangers, inclusief lagere kosten, een potentieel kleinere ecologische voetafdruk en een grotere verscheidenheid aan toepassingen.

Nieuwe onderzoeksresultaten gerapporteerd door een internationaal team onder leiding van het National Institute of Standards and Technology (NIST) geven aan dat de "sweet spot" voor massaproducerende polymere zonnecellen - een verleidelijk vooruitzicht voor decennia - veel groter kan zijn dan gedicteerd door de conventionele wijsheid. In experimenten met een mock-up van een groot volume, roll-to-roll verwerkingsmethode, de onderzoekers produceerden op polymeer gebaseerde zonnecellen met een "stroomconversie-efficiëntie" van beter dan 9,5 procent, net verlegen van de minimale commerciële doelstelling van 10 procent.

Dat is bijna net zo goed als de kleine apparaten die in het lab zijn gemaakt met spincoating, een methode die films van hoge kwaliteit produceert in het laboratorium, maar commercieel onpraktisch is omdat er tot 90 procent van de oorspronkelijke inkt wordt verspild.

Enigszins verrassend voor de onderzoekers, hun in massa geproduceerde versies vertoonden een moleculaire verpakking en textuur die slechts in geringe mate leek op die van in het laboratorium gemaakte variëteiten, die op hun best ongeveer 11 procent van het invallende zonlicht omzetten in elektrische energie.

"De 'vuistregel' was dat polymeerzonnecellen met een hoog volume er qua structuur net zo uit zouden moeten zien als die welke in het laboratorium zijn gemaakt, organisatie en vorm op nanometerschaal, " zei Lee Richter, een NIST-fysicus die werkt aan functionele polymeren. "Onze experimenten geven aan dat de eisen veel flexibeler zijn dan aangenomen, waardoor een grotere structurele variabiliteit mogelijk is zonder de conversie-efficiëntie aanzienlijk op te offeren."

"Efficiënte roll-to-roll fabricage is de sleutel tot het bereiken van de lage kosten, grootschalige productie die fotovoltaïsche energie in staat zou stellen om op te schalen tot een aanzienlijk deel van de wereldwijde energieproductie, " legde He Yan uit, een medewerker van de Hong Kong University of Science and Technology.

Het team experimenteerde met een coatingmateriaal bestaande uit een gefluoreerd polymeer en een fullereen (ook bekend als een "buckyball"). Onder de technische naam PffBT4T-2OD, het polymeer is aantrekkelijk voor productie op schaal - het behalen van een gerapporteerde stroomconversie-efficiëntie van meer dan 11 procent. belangrijk, het kan in relatief dikke lagen worden aangebracht, wat bevorderlijk is voor roll-to-roll-verwerking.

Echter, de best presterende zonnecellen werden geproduceerd met de spincoatingmethode, een kleinschalig proces. Bij spincoating, de vloeistof wordt gedoseerd op het midden van een schijf of ander substraat, die roteert om het materiaal te verspreiden totdat de gewenste laagdikte is bereikt. Naast het genereren van veel afval, het proces is fragmentarisch - in plaats van continu - en de substraatgrootte is beperkt.

Dus koos het onderzoeksteam ervoor om commercieel relevante coatingmethoden te testen, vooral omdat PffBT4T-2OD in relatief dikke lagen van 250 nanometer en meer kan worden aangebracht, of ongeveer de grootte van een groot virus. Ze begonnen met het coaten van een mes - vergelijkbaar met het vasthouden van een mesrand op een fractie van een haarbreedte boven een behandeld glassubstraat terwijl het voorbij glijdt, het schilderen van de PffBT4T-2OD op het substraat.

Een reeks op röntgenstraling gebaseerde metingen onthulde dat de temperatuur waarbij de PffBT4T-2OD werd aangebracht en gedroogd de materiaalstructuur van de resulterende coating aanzienlijk beïnvloedde, met name de oriëntatie, afstand en verdeling van de gevormde kristallen.

De substraten die met een mes waren gecoat bij 90 graden Celsius (194 graden F) presteerden het best, het behalen van een stroomconversie-efficiëntie van meer dan 9,5 procent. Verrassend genoeg, op nanometerniveau, de eindproducten verschilden aanzienlijk van de spin-coated "kampioen" -apparaten die in het laboratorium werden gemaakt. Gedetailleerde real-time metingen tijdens zowel blade-coating als spin-coating onthulden dat de verschillende structuren voortkwamen uit de snelle afkoeling tijdens spin-coating versus de constante temperatuur tijdens blade-coating.

"Real-time metingen waren van cruciaal belang voor het ontwikkelen van een goed begrip van de filmvormingskinetiek en uiteindelijke optimalisatie, " zei Aram Amassian, een medewerker van de King Abdullah University of Science and Technology in Saoedi-Arabië.

Aangemoedigd door de resultaten, het team voerde voorlopige metingen uit van PffBT4T-2OD-coating gevormd op het oppervlak van een flexibele plastic plaat. De coating werd aangebracht op NIST's slot-die roll-to-roll coatinglijn, direct nabootsen van grootschalige productie. Metingen bevestigden dat de materiaalstructuren gemaakt met bladcoating en die gemaakt met slot-die-coating bijna identiek waren bij verwerking bij dezelfde temperaturen.

"Het is duidelijk dat het type verwerkingsmethode dat wordt gebruikt de vorm van de domeinen en hun grootteverdeling in de uiteindelijke coating beïnvloedt, maar deze duidelijk verschillende morfologieën ondermijnen niet noodzakelijkerwijs de prestaties, " zei Harald Ade, een medewerker van de North Carolina State University. "We denken dat deze bevindingen belangrijke aanwijzingen bieden voor het ontwerpen van polymere zonnecellen die zijn geoptimaliseerd voor roll-to-roll-verwerking."