Forscher erzielen Rekordwirkungsgrad von 19% mit organischen Solarzellen
Bisherige organische Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von höchstens 10%. Interessant sind organische Solarzellen deshalb, weil diese extrem dünn gefertigt werden und in großen Flächen wie Folien hergestellt werden. Sie sind Transparent, und können nahezu auf jeder Oberfläche angebracht werden. (Fensterflächen in Gebäuden oder Autos)
Der PCE ist ein Maß für die aus einer bestimmten Sonnenbestrahlung generierte Leistung und gilt als wichtiger Benchmark für die Leistung von Photovoltaik (PV)-Modulen oder Solarzellen. Die verbesserte Effizienz von mehr als 19%, die von den PolyU-Forschern erreicht wurde, stellt einen Rekord für binäre OSCs dar, die eine Spender- und eine Akzeptorschicht in der photoaktiven Schicht haben.
Unter der Leitung von Prof. Li Gang, dem Lehrstuhlinhaber für Energieumwandlungstechnologie und dem Sir Sze-Yen Chung Endowed Professor für erneuerbare Energien an der PolyU, erfand das Forschungsteam eine neuartige Morphologie-Regulierungstechnik für OSCs, indem es 1,3,5-Trichlorbenzol als Kristallisationsregulator verwendete. Diese neue Technik verbessert die Effizienz und Stabilität von OSCs.
Das Team entwickelte eine nicht-monotone Intermediate State Manipulation (ISM) Strategie, um die Morphologie von OSCs zu manipulieren und gleichzeitig die Kristallisationsdynamik und Energieverluste von nicht-fullerenen OSCs zu optimieren. Im Gegensatz zur Verwendung herkömmlicher Lösungsmitteladditive, die auf übermäßiger molekularer Aggregation in Filmen basieren, fördert die ISM-Strategie die Bildung von geordneterer molekularer Stapelung und günstiger molekularer Aggregation. Dadurch wurde der Wirkungsgrad erheblich erhöht und der unerwünschte nichtstrahlende Rekombinationsverlust reduziert. Nichtstrahlende Rekombination verringert die Lichtgenerierungseffizienz und erhöht den Wärmeverlust.
Die Forschungsergebnisse des Teams werden in der Studie "19,3% Binäre Organische Solarzelle und geringe nicht-strahlende Rekombination ermöglicht durch nicht-monotone Intermediate State Transition" in Nature Communications beschrieben. Die Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität ist eine wesentliche Technologie zur Erreichung einer nachhaltigen Umwelt. Obwohl OSCs vielversprechende Geräte sind, die Solarstrom kosteneffektiv nutzen, muss ihre Effizienz verbessert werden, wenn sie weit verbreitet in praktischen Anwendungen eingesetzt werden sollen.
Prof. Li sagte: "Die Herausforderungen in der Forschung kamen von den vorhandenen additiv-basierten Benchmark-Morphologie-Regulierungsmethoden, die unter einem nicht-strahlenden Rekombinationsverlust leiden und dadurch die Leerlaufspannung aufgrund übermäßiger Aggregation senken." Das Forschungsteam benötigte etwa zwei Jahre, um eine nicht-monotone ISM-Strategie zur Steigerung der OSC-Effizienz und zur Senkung des nicht-strahlenden Rekombinationsverlustes zu entwickeln. Die Veröffentlichung der Studie verspricht, die OSC-Forschung zu galvanisieren.
Prof. Li sagte: "Die neuen Erkenntnisse werden die OSC-Forschung zu einem aufregenden Bereich machen und dies wird voraussichtlich enorme Chancen in Anwendungen wie tragbare Elektronik und gebäudeintegrierte PVs schaffen." Die neue Tür wird sich öffnen, wenn kostengünstige einstufige OSCs einen Wirkungsgrad von über 20% erreichen können, zusammen mit stabilerer Leistung und anderen einzigartigen Vorteilen wie Flexibilität, Transparenz, Dehnbarkeit, geringem Gewicht und anpassbarer Farbe.
Prof. Li wurde 9 Jahre in Folge seit 2014 als hochzitierter Forscher anerkannt, was seine bedeutende Wirkung auf die globale Forschung belegt. Seine bahnbrechenden Beiträge zur Forschung an Polymer-Solarzellen seit 2005 haben nachhaltigen Einfluss auf die Entwicklung von druckbaren Solarenergien mit globaler Anerkennung gebracht.
Prof. Li sagte: "Die neueste Studie zeigt einen Rekordwert von 0,168 eV für den nicht-strahlenden Rekombinationsverlust in einer binären OSC mit einem Wirkungsgrad von über 19%. Dies ist ein sehr ermutigendes Ergebnis für die seit zwei Jahrzehnten von mir durchgeführte Forschung an OSCs. Wir haben bereits einen besseren Wirkungsgrad von OSCs erreicht und dies wird den Einsatz von Solarenergie beschleunigen."