Gebouwen van de toekomst kunnen worden uitgerust met ramen die hun eigen elektriciteit kunnen opwekken, dankzij een vondst van een team onder leiding van Jacqui Cole, een materiaalwetenschapper van de Universiteit van Cambridge, VK, momenteel gevestigd in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Voor de eerste keer, Cole en collega's bepaalden de moleculaire structuur van werkende zonnecelelektroden in een volledig geassembleerd apparaat dat werkt als een raam. de bevinding, gepubliceerd in nanoschaal , helpt bij het bevorderen van slimme raamtechnologie die steden in staat zou kunnen stellen dichter bij het doel van duurzaam energiegebruik te komen.

De experimenten werden uitgevoerd op met kleurstof gesensibiliseerde zonnecellen, die transparant zijn en dus zeer geschikt voor gebruik in glas. Pogingen om slimme raamtechnologieën te creëren zijn beperkt door de vele onbekende moleculaire mechanismen tussen de elektroden en elektrolyt die samen bepalen hoe het apparaat werkt.

"De meeste eerdere studies hebben de moleculaire functie van deze werkende elektroden gemodelleerd zonder rekening te houden met de elektrolyt-ingrediënten, " Cole zei. "Ons werk toont aan dat deze chemische ingrediënten de prestaties van zonnecellen duidelijk kunnen beïnvloeden, dus we kunnen deze kennis nu gebruiken om de ionen af ​​te stemmen om de fotovoltaïsche efficiëntie te verhogen."

Om de ontdekking te doen, Cole - de Royal Commission 2014 Design Fellow uit 1851 - en haar collega's gebruikten neutronenreflectometrie om de functie en het samenspel van de elektrolytingrediënten met elektroden van de kleurstofgevoelige zonnecellen te onderzoeken. Neutronenreflectometrie, vergelijkbaar met röntgenreflectometrietechnieken, stelt wetenschappers in staat om de structuur van dunne films met hoge resolutie te meten. Maar het was het feit dat de tests werden uitgevoerd in een vensterachtig systeem dat zorgde voor een belangrijke ontdekking.

"Voorgaand onderzoek beschouwde de werkende elektroden buiten het apparaat, dus er is geen pad geweest om te bepalen hoe de verschillende apparaatcomponenten op elkaar inwerken, " Cole zei. "Ons werk betekent een enorme sprong voorwaarts, aangezien het 's werelds eerste voorbeeld is van het toepassen van in-situ neutronenreflectometrie op kleurstofgevoelige zonnecellen."

Eerdere pogingen om het grensvlak tussen kleurstof en titaniumdioxide in deze zonnecellen te karakteriseren, waren beperkt tot het bepalen van deze grensvlakstructuur in een omgeving die is blootgesteld aan lucht of in een oplosmiddel. Door deze beperkingen, deze zonnecelomgevingen zijn in wezen kunstmatig met beperkte relevantie voor raamtoepassingen.

Met deze ontdekking, echter, Cole en collega's zijn verder gegaan dan kunstmatige beperkingen. Daarbij, ze kunnen beter begrijpen hoe een dunnefilmelektrode die titaniumdioxide bevat, een van nature voorkomende verbinding in verf, zonnebrandcrème en kleurstof voor levensmiddelen, kan een enorme impact hebben op de efficiëntie van zonnecellen.

"Ons werk heeft aangetoond dat bepaalde chemische ingrediënten, waarvan sommige tot nu toe over het hoofd zijn gezien, kan de fotovoltaïsche prestatie van deze zonnecellen duidelijk beïnvloeden, ' zei Cole.

Efficiëntere zonnecellen zoals deze kunnen slimme raamtechnologie dichter bij de markt brengen, zei Cole, eraan toevoegend dat de wetenschap er bijna is.

"We hebben slechts een bescheiden prestatieverbetering nodig om deze zonnecellen concurrerend te maken, " zei Cole, "aangezien prijs-naar-prestatie de economie van de zonnecelindustrie bepaalt. En de productie van met kleurstof gesensibiliseerde zonnecellen is erg goedkoop in vergelijking met andere zonneceltechnologieën."

qua prestaties, de cellen hebben onlangs een wereldrecord gebroken met een stroomconversie-efficiëntie van 14,3 procent met behulp van een kleurstofgevoelige elektrode met twee co-gesensibiliseerde metaalvrije organische kleurstoffen. Deze kleurstoffen "beloven goedkoper, milieuvriendelijkere synthetische routes en grotere moleculaire ontwerpflexibiliteit dan hun metaalbevattende tegenhangers, "volgens de krant.

De ontdekking werd gedaan met collega's van de Universiteit van Cambridge, Verenigd Koninkrijk, de Australian Nuclear Science and Technology Organization en het Rutherford Appleton Laboratory, VK. Onderzoekers blijven deze materiaalkarakteriseringstechniek toepassen op kleurstofgevoelige zonnecellen, die verdere moleculaire geheimen zouden kunnen onthullen en de weg kunnen wijzen naar toekomstige energietoepassingen.