'Ljusrör' ökar organisk solenergieffektivitet

Forskare i North Carolina har utvecklat ett sätt att mer än fördubbla prestandan hos organiska solceller genom att lägga till ett lager av upprättstående optiska fibrer som fungerar som solljusfällor.

Fiberskog: Denna prototyp solpanel är täckt med optiska fibrer. Fotoner studsar runt inuti fibrerna innan de absorberas, och detta fördubblar panelens effektivitet jämfört med vanliga organiska celler.

David Carroll , professor i fysik vid Wake Forest University, ledde utvecklingen av en prototyp solcell som innehåller fibrerna. Han är chefsforskare på ett spinoff-företag som heter FiberCell som utvecklar en rulle-till-rulle tillverkningsprocess för att producera cellerna. Vi är på väg att ha arbetande demonstranter som skulle övertyga någon att gå i produktion med detta, sa Carroll .

De bästa organiska solcellerna idag är nästan 8 procent effektiva, även om ansträngningar pågår för att utveckla organisk kemi som skulle skjuta upp effektiviteten hos sådana celler till över 10 procent. Men Carroll säger att förbättrad kemi ensam inte kommer att räcka för att komma ikapp med kiselcellers prestanda. Svaret ligger inte i kemi – det ligger i själva cellens arkitektur, säger han. Carroll tillägger att dollar-per-watt-kostnaden för att tillverka fiberbaserade organiska celler bör vara ungefär samma kostnad som för platta organiska celler. Men de kan tillverkas i en fabrik som kostar en tiondel av ett kiselgjuteri, säger han. Detta skulle göra dem mycket billigare att tillverka än kiselceller.

Problemet med vanliga platta celler, oavsett om de är gjorda av ett organiskt eller oorganiskt material, är att en del solljus går förlorat genom reflektion. För att minska denna effekt applicerar celltillverkare antireflekterande beläggningar eller etsar cellens yta för att öka fotonabsorptionen. Carrolls team har tagit ett mer dramatiskt tillvägagångssätt genom att stämpla optiska fibrer på ett polymersubstrat som utgör grunden för cellen.

Fibrerna, som Carroll refererar till som lätta rör, sticker ut från ytan som grova stubb. De är omgivna av tunna organiska solceller som appliceras med en dip-coating-process, och ett ljusabsorberande färgämne eller polymer sprayas också på cellen. Ljus kan komma in i spetsen av en fiber i vilken vinkel som helst. Fotoner studsar sedan runt inuti fibern tills de absorberas av den omgivande organiska cellen.

Forskarna testade en glasfibercell i labbet och fann att fibern ökade ljusabsorptionen med ungefär hälften. Carroll säger att cellerna också kan producera dubbelt så många wattimmar under en dag jämfört med platta paneler eftersom de kan ta emot ljus från olika vinklar. Det är samma sak som att ta en platt enhet och rikta den direkt mot solen hela dagen, säger han.

Forskare vid Georgia Tech experimenterar med liknande fiberbaserade organiska solceller. Zhong Lin Wang , professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid universitetet, säger att tillvägagångssättet har stora fördelar jämfört med konventionella platta celldesigner. Hans labb har utvecklat en hybridcell bestående av optiska fibrer och en nanotrådsfuzz gjord av zinkoxid som odlas på fibrernas ytterväggar. Nanotrådarna, behandlade med ljusabsorberande färgämnen, är avsedda att ge en större yta för att fånga solljus. Wang säger att detta tillvägagångssätt ökar effektiviteten med en faktor sex, även om hans labb ännu inte har gått längre än en enda fibersträng. Vi arbetar fortfarande med att integrera flera fibrer [på en större yta], säger han.

Carroll startade sin forskning redan 2004, vilket gav Wake University ett försprång på vägen mot kommersialisering. De flesta enheterna där ute nu är på enskilda fibrer, säger han. Carroll säger också att det inte finns någon brist på rull-till-rulle-bearbetningstekniker på marknaden som kan göra substrat täckta med optiska fibrer. Vi kommer att låna från dem; det här är inte svårt att göra, säger han. Känsligheten för filmtjocklek och beläggningskvalitet är mycket mindre än vi hade räknat med, vilket innebär att tillverkningsvägarna är mycket närmare än vi först räknade med.

FiberCell pratar för närvarande med investerare och siktar på att producera sina fiberbaserade organiska celler för takpannor och andra produkter som skulle dra nytta av förmågan att acceptera ljus från olika vinklar. Om jag får detta att prestera nära sitt maximum, så har jag en enhet som borde teoretiskt sett kunna överträffa 15 procent effektivitet, närmar sig 20 procent, säger Carroll. Detta skulle göra organisk solcellsteknik konkurrenskraftig med dagens toppsilikonpaneler.

John Paul Morgan , en optisk ingenjör och teknisk chef för det koncentrerade solcellsföretaget Morgan Solar, säger att FiberCell-metoden måste konkurrera med andra tekniker som är utformade för att öka panelytan och fånga mer ljus. Att odla en skog av tätt grupperade nanotrådar ovanpå ett substrat har till exempel visat sig förbättra effektiviteten hos organiska celler.

Optiska fibrer är ett intressant tillvägagångssätt, men liksom andra tillvägagångssätt handlar det om utmaningarna med tillverkning, sa Morgan. Alla nya cellteknologier möter problem med fukt, elektriska anslutningar, slitage. Om de kan övervinna dessa kan detta vara en mycket hållbar idé. Jag är spänd på att se vad som kommer härnäst.

Dölj