Solarzellen aus Polymeren haben das Potenzial, billig und leicht zu sein, aber die Wissenschaftler haben Probleme damit, Elektrizität effizient zu erzeugen.

Ein Polymer ist eine Art großes Molekül, das Kunststoffe und andere bekannte Materialien bildet.

"Das Feld ist ziemlich unreif-es ist in der Kinderschuhen", sagt Luping Yu, Professor der Chemie an der University of Chicago.

Nun hat ein Team von Forschern unter der Leitung von Yu ein neues Polymer identifiziert, das es ermöglicht, dass elektrische Ladungen leichter durch die Zelle wandern und die Stromerzeugung erhöhen.

"Polymer-Solarzellen haben ein großes Potenzial, kostengünstige, leichte und flexible elektronische Geräte zur Gewinnung von Solarenergie bereitzustellen", sagt Luyao Lu, Chemiestudent und leitender Autor eines Artikels in der Zeitschrift Nature Photonics Das beschreibt das Ergebnis.

Die aktiven Regionen solcher Solarzellen bestehen aus einer Mischung von Polymeren, die Elektronen abgeben und empfangen, um elektrischen Strom zu erzeugen, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Das von Yus Gruppe entwickelte neue Polymer namens PID2 verbessert die Effizienz der elektrischen Energieerzeugung um 15-Prozent, wenn es einem Standard-Polymer-Fulleren-Gemisch zugesetzt wird.

"Fulleren, ein kleines Kohlenstoffmolekül, ist eines der Standardmaterialien für Polymer-Solarzellen", sagt Lu. "Im Grunde haben wir in Polymer-Solarzellen ein Polymer als Elektronendonor und Fulleren als Elektronenakzeptor, um eine Ladungstrennung zu ermöglichen."

In ihrer Arbeit fügten die Forscher ein weiteres Polymer in das Gerät ein, was zu Solarzellen mit zwei Polymeren und einem Fulleren führte.

8.2 Prozent Effizienz

Die Gruppe erreichte eine Effizienz von 8.2 Prozent, wenn eine optimale Menge an PID2 hinzugefügt wurde - die höchste jemals für Solarzellen, die aus zwei Arten von Polymeren mit Fulleren bestand -, und das Ergebnis impliziert, dass sogar höhere Wirkungsgrade mit weiterer Arbeit möglich sind.

Die Gruppe, zu der auch Forscher des Argonne National Laboratory gehören, arbeitet jetzt daran, die Effizienz in Richtung 10 zu steigern, einem Maßstab, der für Polymersolarzellen erforderlich ist, damit sie für kommerzielle Anwendungen geeignet sind.

Das Ergebnis war bemerkenswert, nicht nur wegen des Fortschritts der technischen Fähigkeiten, bemerkt Yu, sondern auch, weil PID2 die Effizienz durch eine neue Methode verbessert hat. Der Standardmechanismus zur Verbesserung der Effizienz mit einem dritten Polymer besteht darin, die Absorption von Licht in der Vorrichtung zu erhöhen.

Wie es funktioniert

Zusätzlich zu diesem Effekt fand das Team heraus, dass Ladungen, wenn PID2 hinzugefügt wurde, leichter zwischen Polymeren und in der Zelle transportiert wurden.

Damit ein Strom von der Solarzelle werden Elektronen erzeugt werden sollen, müssen von Polymer übertragen werden, innerhalb der Vorrichtung zu Fulleren. Aber der Unterschied zwischen den Elektronenenergieniveaus für den Standard-Polymer-Fulleren ist groß genug, dass Elektronentransfer zwischen ihnen schwierig. PID2 hat Energieniveaus zwischen den beiden anderen, und fungiert als Vermittler in den Prozess.

"Es ist wie ein Schritt", sagt Yu. "Wenn es zu hoch ist, ist es schwer hochzuklettern, aber wenn du einen weiteren Schritt in die Mitte machst, kannst du leicht hochgehen."

Die Zugabe von PID2 führte dazu, dass die Polymermischung Fasern bildete, die die Mobilität der Elektronen im gesamten Material verbessern. Die Fasern dienen als Weg, um Elektronen zu den Elektroden an den Seiten der Solarzelle wandern zu lassen.

"Es ist, als ob du eine Straße erzeugst und jemand, der auf der Straße unterwegs ist, kann einen Weg von diesem Ende zum anderen finden", erklärt Yu.

Um diese Struktur zu offenbaren, führte Wei Chen von der Materialwissenschaftlichen Abteilung am Argonne National Laboratory und dem Institut für Molecular Engineering Röntgenstreuungsstudien unter Verwendung der Advanced Photon Source bei Argonne und der Advanced Light Source bei Lawrence Berkeley durch.

"Ohne das ist es schwierig, einen Einblick in die Struktur zu bekommen", sagt Yu. "Das kommt uns enorm zugute."

"Dieses Wissen wird als Grundlage für die Entwicklung hocheffizienter organischer Photovoltaik-Geräte dienen, um den zukünftigen Energiebedarf des Landes zu decken", fügt Chen hinzu.

Quelle: University of Chicago
Original-Studie

Über den Autor

Emily Conover ist eine Wissenschaftsautorin mit Kenntnissen in Physik und Astronomie. Sie schreibt für das Nachrichtenbüro der University of Chicago und ihren eigenen Wissenschaftsblog Weak Interactions und steht für freiberufliche Wissenschaft oder technisches Schreiben zur Verfügung.

Offenlegungserklärung: Die National Science Foundation, das Amt für wissenschaftliche Forschung der Luftwaffe und das US-Energieministerium haben die Forschung finanziert.

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