Ogniwa słoneczne wykonane z polimerów mogą być tanie i lekkie, ale naukowcy walczą o to, by wytwarzały energię elektryczną wydajnie.

Polimer jest rodzajem dużej cząsteczki, która tworzy tworzywa sztuczne i inne znane materiały.

„Pole jest raczej niedojrzałe - jest w fazie niemowlęctwa”, mówi Luping Yu, profesor chemii na Uniwersytecie w Chicago.

Teraz zespół naukowców pod przewodnictwem Yu zidentyfikował nowy polimer, który umożliwia łatwiejsze przemieszczanie się ładunków elektrycznych przez ogniwo, zwiększając produkcję energii elektrycznej.

„Polimerowe ogniwa słoneczne mają ogromny potencjał w zakresie dostarczania tanich, lekkich i elastycznych urządzeń elektronicznych do pozyskiwania energii słonecznej”, mówi Luyao Lu, absolwent chemii i główny autor artykułu w czasopiśmie Nature Photonics który opisuje wynik.

Aktywne regiony takich ogniw słonecznych składają się z mieszaniny polimerów, które dają i odbierają elektrony w celu wytworzenia prądu elektrycznego pod wpływem światła. Nowy polimer opracowany przez grupę Yu, o nazwie PID2, poprawia wydajność wytwarzania energii elektrycznej o procent 15 po dodaniu do standardowej mieszaniny polimer-fuleren.

„Fuleren, mała cząsteczka węgla, jest jednym ze standardowych materiałów stosowanych w polimerowych ogniwach słonecznych”, mówi Lu. „Zasadniczo w polimerowych ogniwach słonecznych mamy polimer jako donor elektronów i fuleren jako akceptor elektronów, aby umożliwić rozdział ładunku”.

W swojej pracy naukowcy dodali do urządzenia kolejny polimer, w wyniku czego powstały ogniwa słoneczne z dwoma polimerami i jednym fulerenem.

Wydajność procentowa 8.2

Grupa osiągnęła sprawność procentową 8.2, gdy dodano optymalną ilość PID2 - najwyższą jak dotąd dla ogniw słonecznych składających się z dwóch rodzajów polimerów z fulerenem - a wynik sugeruje, że dalsze prace mogłyby być możliwe przy dalszej pracy.

Grupa, w skład której wchodzą naukowcy z Argonne National Laboratory, pracuje teraz nad podniesieniem wydajności w kierunku 10, poziomu odniesienia niezbędnego do rentowności polimerowych ogniw słonecznych w zastosowaniach komercyjnych.

Wynik był niezwykły nie tylko ze względu na postęp w zakresie możliwości technicznych, zauważa Yu, ale także dlatego, że PID2 poprawił wydajność za pomocą nowej metody. Standardowym mechanizmem poprawy wydajności trzeciego polimeru jest zwiększenie absorpcji światła w urządzeniu.

Jak to działa

Ale oprócz tego efektu zespół stwierdził, że po dodaniu PID2 ładunki były łatwiej transportowane między polimerami i przez całą komórkę.

Aby prąd mógł być generowany przez ogniwo słoneczne, elektrony muszą zostać przeniesione z polimeru do fulerenu wewnątrz urządzenia. Różnica między poziomami energii elektronów dla standardowego polimeru fulerenu jest jednak na tyle duża, że ​​przenoszenie elektronów między nimi jest trudne. PID2 ma poziomy energii pomiędzy pozostałymi dwoma i działa jako pośrednik w tym procesie.

„To jak krok” - mówi Yu. „Kiedy jest za wysoko, trudno jest się wspiąć, ale jeśli postawisz kolejny krok na środku, możesz z łatwością wejść.”

Dodanie PID2 spowodowało, że mieszanka polimerów tworzy włókna, które poprawiają ruchliwość elektronów w całym materiale. Włókna służą jako ścieżka umożliwiająca elektronom przemieszczanie się do elektrod po bokach ogniwa słonecznego.

„To tak, jakbyś tworzył ulicę, a ktoś, kto podróżuje ulicą, może znaleźć drogę do przejścia z tego końca na inny”, wyjaśnia Yu.

Aby ujawnić tę strukturę, Wei Chen z Wydziału Materiałoznawstwa w Argonne National Laboratory i Institute for Molecular Engineering przeprowadzili badania rozpraszania promieniowania rentgenowskiego przy użyciu Advanced Photon Source w Argonne i Advanced Light Source w Lawrence Berkeley.

„Bez tego trudno jest uzyskać wgląd w strukturę”, mówi Yu. „To ogromnie nam przydaje”.

„Ta wiedza posłuży jako podstawa do opracowania wysokosprawnych organicznych urządzeń fotowoltaicznych w celu zaspokojenia przyszłych potrzeb energetycznych kraju”, dodaje Chen.

Źródło: University of Chicago
Oryginalne studium

O autorze

Emily Conover jest pisarką naukową z doświadczeniem w dziedzinie fizyki i astronomii. Pisze dla biura prasowego Uniwersytetu Chicago i jej osobistego bloga naukowego, Weak Interactions, i jest dostępna dla niezależnych prac naukowych lub technicznych.

Oświadczenie o ujawnieniu: Badania sfinansowały Narodowa Fundacja Nauki, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych oraz Departament Energii Stanów Zjednoczonych.

Zalecana książka:

Green Wizardry: Conservation, Solar Power, Organic Gardening and Other Hands-On Skills from the Approved Tech Toolkit - autor: John Michael Greer

W czasach starożytnych czarodziej był niezależnym intelektualistą, którego głównym źródłem handlu była dobra rada, poparta gruntownym wykształceniem w dziedzinie rolnictwa, nawigacji, nauk politycznych i wojskowych, języków, handlu, matematyki, medycyny i nauk przyrodniczych. Ta książka jest lekturą obowiązkową dla każdego, kto martwi się zmniejszeniem naszej zależności od przeciążonego systemu przemysłowego oraz, w świecie poważnych niedoborów energii i problemów ekonomicznych, czyniąc życie znacznie mniej traumatycznym i bardziej znośnym. Od podstawowych pojęć z ekologii po mnóstwo praktycznych technik, Green Wizardry to obszerny podręcznik dla dzisiejszego szkolenia czarodzieja.

Kliknij tutaj aby uzyskać więcej informacji i/lub zamówić tę książkę.