Forskarna närmare böjliga solceller som håller länge

En kemiingenjör vid Rice University har tagit fram böjliga organiska solceller, och Rafael Verduzco tror att de skulle kunna vara användbara där det finns behov av en låg men konstant spänning. Målet är att de ska kunna målas eller tryckas, exempelvis på textil, byggnader eller fönster.

Det har gjorts vetenskapliga framsteg inom tunna, böjliga solceller – men små sprickor uppstår snabbt av påfrestningen, vilket hämmar ledningsförmågan. I Houston Texas har Verduzcos team lagt in ett nätverk av elastiska ämnen som gör det elektriskt aktiva materialet mindre bräckligt, detta utan att tappa sin ledande förmåga. Resultaten har publicerats i the American Chemical Societys tidning Chemistry of Materials.

Istället för att använda hårda ickeorganiska material som kisel förlitar sig organiska solceller på kolbaserade material, inklusive polymerer för att omvandla solljus till elektricitet. De organiska cellerna är dessutom väldigt tunna, lätta, i viss mån transparenta och samtidigt billiga. Men medan kiselbaserade solceller har en effektivitetsgrad på omkring 22 procent så ligger de organiska ännu på cirka 15 procent.

– Alldeles för länge har forskningsfältet varit besatt av effektivitetsskalan. Man har också sett en viss effektivitetsökning hos de här enheterna, men även de mekaniska egenskaperna är väldigt viktiga, och den sidan har glömts bort. Om du böjer eller sträcker ut saker så får du sprickor i det aktiva lagret och då slutar devicen att fungera, säger Rafael Verduzco till Technology.

Enligt forskaren var ett tillvägagångssätt för att lösa problemet med skörheten att hitta polymerer eller andra organiska halvledare som av naturen var nog böjliga. Teamet ökade hållbarheten genom att blanda i en svavelbaserad lösning med tiol/alkyn (sulfur-based thiol-ene reagent). Molekylerna blandades med polymeren och en molekylär tvärkopplad struktur bidrog till flexibiliteten. Se filmen här.

Processen är dock inte billig. Och allt för lite tiol gör de kristallina polymererna benägna till att spricka under påfrestning, medan allt för mycket hämmar materialets effektivitet. Via tester i labbet lyckades man dock hitta den så kallade Guldlock-zonen, med en andel på 20 procent. Då behöll cellerna sin effektivitet och blev samtidigt böjliga.

Forskarna behöver bara applicera ultraviolett ljus eller värme för att det eftertraktade nätverket ska uppstå. Kemin är mild, snabb och effektiv. Hur flexibelt är då materialet? Ett lager med ren polytiofen (P3HT) började spricka vid omkring sex procents stäckning. Med en iblandning av tio procents tiol/alkyn kunde lagret sträckas upp till 14 procent, och vid 16 procent uppstod sprickor. Nästa steg för laboratoriet är att försöka hitta andra organiska material som kräver en mindre andel tillsats för att bli böjliga.