Så kan giftfria och effektiva solceller tillverkas
Storskalig produktion av organiska solceller med hög effektivitet och minimal miljöpåverkan. Det kan nu bli möjligt genom en ny designprincip som utvecklats vid Linköpings universitet. I studien, publicerad i tidskriften Nature Energy, har forskarna studerat molekylernas form och samspel i organiska solceller.
– Med elektrifieringen och utvecklingen av AI kommer vi troligen se en signifikant ökning av världens energibehov. Den elektriciteten behöver komma från miljömässigt hållbara källor om vi samtidigt ska kunna sakta ner klimatförändringarna, säger Feng Gao, professor i optoelektronik vid Linköpings universitet, LiU.
En grön energikälla som är i stort fokus för forskare globalt är solceller. Som ett komplement till traditionella kiselsolceller utvecklas flera olika alternativa varianter. En av de mest lovande teknikerna baseras på elektriskt ledande plaster – organisk elektronik.
Fördelen med organiska solceller är att de är jämförelsevis billiga och enkla att tillverka. Dessutom är de lätta och flexibla vilket gör att de skulle kunna placeras på fönsterrutor, inomhus eller på kläder för att driva personelektronik. Redan idag finns det organiska solceller på marknaden och andelen förutspås öka.
Effektiviteten hos organiska solceller börjar närma sig traditionella solceller och kan omvandla cirka 20 procent av solens strålar till elektricitet. Den höga verkningsgraden är ett resultat av flera års intensiv materialforskning och studier av interaktionen mellan molekylerna i materialet, den så kallade morfologin.
Organiska solceller tillverkas i en blandning som sedan läggs på ett underlag där lösningsmedlet i blandningen avdunstar. Men i kemikalielösningen finns giftiga och miljöfarliga ämnen.
– Om man vill kunna massproducera organiska solceller, med till exempel tryckteknologi, i stor skala behöver vi hitta metoder som inte använder gifter. Det är inte bra för miljön eller för dem som arbetar i fabrikerna, säger Feng Gao.
Nu har hans forskargrupp tillsammans med kollegor i Kina och USA lyckats knäcka koden till att tillverka effektiva organiska solceller med flera olika miljövänliga lösningsmedel.
– För att välja rätt lösningsmedel är det viktigt att förstå hela tillverkningsprocessen av solcellen. Det inkluderar att känna till de initiala strukturerna i lösningen, observera de dynamiska processerna under avdunstningen och kontrollera den slutliga strukturen i solcellsfilmen, säger Rui Zhang, forskare vid Institutionen för fysik, kemi och biologi vid LiU och huvudförfattare till artikeln publicerad i Nature Energy.
Det Linköpingsforskarna har gjort är att kartlägga det molekylära samspelet mellan materialen som transporterar elektronerna samt själva lösningsmedlet. De använde två avancerade tekniker där neutroner och elektroner används för att ”se in” i materialet.
Tack vare kartläggningen kunde forskarna sedan utveckla en designprincip som fungerar för många olika ofarliga lösningsmedel. På sikt hoppas de att till och med vatten ska fungera som lösningsmedel.
Enligt forskarna är det en stor utmaning att förstå kopplingen mellan morfologi och prestanda i organiska solceller i och med att de behöver undersöka den ultrasnabba förflyttningen av elektroner (laddningstransporten) från materialet som släpper elektroner till det som tar emot dem. Det är processer som sker i strukturer på nanoskala i gränssnittet mellan molekyler. Enligt Feng Gao är vägen mot miljömässigt hållbara organiska solceller nu öppen.
– Tack vare ett tillverkningssätt utan gifter har vi nu en mycket större chans att kommersialisera tekniken på större skala.
Studien finansierades bland annat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Stiftelsen för strategisk forskning, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE) samt via den svenska regeringens strategiska forskningsområde inom avancerade funktionella materiel, AFM, vid Linköpings universitet.
Artikeln: Equally High Efficiencies of Organic Solar Cells Processed from Different Solvents Revealing the Key Factors for Morphology Control; Rui Zhang, Haiyang Chen, Tonghui Wang, Libor Kobera, Lilin He, Yuting Huang, Junyuan Ding, Ben Zhang, Azzaya Khasbaatar, Sadisha Nanayakkara, Jialei Zheng, Weijie Chen, Ying Diao, Sabina Abbrent, Jiri Brus, Aidan H Coffey, Chenhui Zhu, Heng Liu, Xinhui Lu, Qing Jiang, Veaceslav Coropceanu, Jean-Luc Bredas, Yongfang Li, Yaowen Li, Feng Gao, Nature Energy (2024), Publicerad online 4 december 2024. DOI: 10.1038/s41560-024-01678-5
Kontakt
Feng Gao, professor, feng.gao@liu.se, 013-28 68 82
Rui Zhang, forskare, rui.zhang@liu.se, 013-28 13 49
