Celulele solare fabricate din polimeri au potențialul de a fi ieftine și ușoare, dar oamenii de știință se luptă să le facă să genereze electricitate eficient.

Un polimer este un tip de moleculă mare care formează materiale plastice și alte materiale familiare.

„Domeniul este destul de imatur - se află în stadiul copilăriei”, spune Luping Yu, profesor de chimie la Universitatea din Chicago.

Acum, o echipă de cercetători condusă de Yu a identificat un nou polimer care permite încărcărilor electrice să se miște mai ușor prin celulă, sporind producția de energie electrică.

„Celulele solare polimerice au un potențial mare de a oferi dispozitive electronice ieftine, ușoare și flexibile pentru recoltarea energiei solare”, spune Luyao Lu, student la chimie și autor principal al unei lucrări în jurnal. Natura Photonics care descrie rezultatul.

Regiunile active ale acestor celule solare sunt compuse dintr-un amestec de polimeri care dau și primesc electroni pentru a genera curent electric atunci când sunt expuși luminii. Noul polimer dezvoltat de grupul Yu, numit PID2, îmbunătățește eficiența generării de energie electrică cu 15% atunci când este adăugat unui amestec standard de polimer-fullerenă.

„Fullerena, o moleculă mică de carbon, este unul dintre materialele standard utilizate în celulele solare polimerice”, spune Lu. „Practic, în celulele solare polimerice avem un polimer ca donator de electroni și fullerena ca acceptor de electroni pentru a permite separarea sarcinii.”

În activitatea lor, cercetătorii au adăugat un alt polimer în dispozitiv, rezultând celule solare cu doi polimeri și unul fulleren.

8.2 Eficiență procentuală

Grupul a obținut o eficiență de 8.2 la sută atunci când s-a adăugat o cantitate optimă de PID2 - cea mai mare vreodată pentru celulele solare formate din două tipuri de polimeri cu fullerenă - și rezultatul implică faptul că eficiențe și mai mari ar putea fi posibile cu lucrări ulterioare.

Grupul, care include cercetători la Laboratorul Național Argonne, lucrează acum pentru a împinge eficiența la 10%, un reper necesar pentru ca celulele solare polimerice să fie viabile pentru aplicații comerciale.

Rezultatul a fost remarcabil nu numai datorită avansului în capabilitățile tehnice, observă Yu, ci și datorită faptului că PID2 a îmbunătățit eficiența printr-o nouă metodă. Mecanismul standard pentru îmbunătățirea eficienței cu un al treilea polimer este prin creșterea absorbției luminii în dispozitiv.

Cum funcționează

Dar, în plus față de acest efect, echipa a constatat că, atunci când a fost adăugat PID2, încărcăturile au fost transportate mai ușor între polimeri și în întreaga celulă.

Pentru ca un curent să fie generat de celula solară, electronii trebuie transferați din polimer în fulerenă în interiorul dispozitivului. Dar diferența dintre nivelurile de energie electronică pentru polimerul-fullerenă standard este suficient de mare încât transferul de electroni între ele este dificil. PID2 are niveluri de energie între celelalte două și acționează ca intermediar în proces.

„Este ca un pas”, spune Yu. „Când este prea sus, este greu să urci, dar dacă mai pui în mijloc un alt pas, atunci poți merge cu ușurință.”

Adăugarea de PID2 a făcut ca amestecul de polimeri să formeze fibre, care îmbunătățesc mobilitatea electronilor în întregul material. Fibrele servesc ca o cale pentru a permite electronilor să se deplaseze către electrozii de pe părțile laterale ale celulei solare.

„Este ca și cum ai genera o stradă și cineva care călătorește de-a lungul străzii poate găsi o cale de a merge de la acest capăt la altul”, explică Yu.

Pentru a dezvălui această structură, Wei Chen de la Divizia de Știința Materialelor de la Laboratorul Național Argonne și Institutul pentru Inginerie Moleculară au efectuat studii de împrăștiere cu raze X folosind Sursa Advanced Photon de la Argonne și Advanced Light Source la Lawrence Berkeley.

„Fără asta este greu să obții informații despre structură”, spune Yu. „Asta ne avantajează enorm.”

„Aceste cunoștințe vor servi drept bază pentru a dezvolta dispozitive fotovoltaice organice de înaltă eficiență pentru a satisface nevoile viitoare de energie ale națiunii”, adaugă Chen.

Sursa: Universitatea din Chicago
Studiu original

Despre autor

Emily Conover este o scriitoare științifică cu experiență în fizică și astronomie. Scrie pentru Universitatea din Chicago News Office și propriul blog de științe personale, Interacțiuni slabe, și este disponibilă pentru științe independente sau scrieri tehnice.

Declarație de divulgare: Fundația Națională pentru Științe, Oficiul de Cercetări Științifice al Forțelor Aeriene și Departamentul de Energie al SUA au finanțat cercetarea.

Cartea recomandată:

Green Wizardry: Conservare, energie solară, grădinărit organic și alte abilități practice din setul de instrumente tehnice adecvat - de John Michael Greer

În vremurile străvechi, un vrăjitor era un intelectual independent, al cărui stoc principal în comerț era un sfat bun, susținut de o educație aprofundată în agricultură, navigație, științe politice și militare, limbi, comerț, matematică, medicină și științele naturii. Această carte este o lectură obligatorie pentru oricine este preocupat de scăderea dependenței noastre de un sistem industrial supraîncărcat și, într-o lume cu grave deficiențe energetice și probleme economice, făcând viața mult mai puțin traumatică și mai locuibilă. De la conceptele de bază ale ecologiei la o mulțime de tehnici practice, Green Wizardry este un manual cuprinzător pentru vrăjitorul în curs de formare de astăzi.

Click aici pentru mai multe informații și / sau pentru a comanda această carte.