1
Het team bereikte 8,1 procent rendement en 43,3 procent transparantie met een organisch, of koolstofgebaseerd, ontwerp in plaats van conventioneel silicium. Hoewel de cellen een lichte groene tint hebben, lijken ze veel meer op het grijs van zonnebrillen en autoruiten.
“Ramen, die op de voorkant van elk gebouw zitten, zijn een ideale locatie voor organische zonnecellen omdat ze iets bieden wat silicium niet kan, namelijk een combinatie van zeer hoge efficiëntie en zeer hoge zichtbare transparantie,” zei Stephen Forrest, de Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering en Paul G. Goebel Professor of Engineering, die het onderzoek leidde.
Gebouwen met glazen gevels hebben meestal een coating op hen die een deel van het licht reflecteert en absorbeert, zowel in het zichtbare als in het infrarode deel van het spectrum, om de helderheid en de verwarming binnen het gebouw te verminderen. In plaats van die energie weg te gooien, zouden transparante zonnepanelen ze kunnen gebruiken om een hap te nemen uit de elektriciteitsbehoeften van het gebouw. De transparantie van sommige bestaande ramen is vergelijkbaar met de transparantie van de zonnecellen Forrest’s groep rapporteert in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Het nieuwe materiaal dat we ontwikkelden, en de structuur van het apparaat dat we bouwden, moest meerdere trade-offs in evenwicht brengen om tegelijkertijd goede zonlichtabsorptie, hoge spanning, hoge stroom, lage weerstand en kleurneutrale transparantie te bieden,” zei Yongxi Li, een assistent-onderzoekswetenschapper in elektrotechniek en computerwetenschappen.
Het nieuwe materiaal is een combinatie van organische moleculen die zijn ontworpen om transparant te zijn in het zichtbare en absorberend in het nabij-infrarood, een onzichtbaar deel van het spectrum dat goed is voor veel van de energie in zonlicht. Bovendien ontwikkelden de onderzoekers optische coatings om zowel het vermogen gegenereerd uit infrarood licht als de transparantie in het zichtbare bereik te vergroten — twee kwaliteiten die gewoonlijk met elkaar concurreren.
De kleurneutrale versie van het apparaat werd gemaakt met een indiumtinoxide elektrode. Een zilveren elektrode verbeterde de efficiëntie tot 10,8%, met 45,8% transparantie. De licht groenige tint van die versie kan echter onaanvaardbaar zijn in sommige raamtoepassingen.
Transparante zonnecellen worden gemeten aan de hand van hun lichtgebruiksefficiëntie, die beschrijft hoeveel energie van het licht dat het raam raakt beschikbaar is als elektriciteit of als doorgelaten licht aan de binnenzijde. Eerdere transparante zonnecellen hebben een lichtgebruiksefficiëntie van ruwweg 2-3%, maar de indiumtinoxidecel wordt gewaardeerd op 3,5% en de zilveren versie heeft een lichtgebruiksefficiëntie van 5%.
Beide versies kunnen op grote schaal worden vervaardigd, met gebruikmaking van materialen die minder toxisch zijn dan andere transparante zonnecellen. De transparante organische zonnecellen kunnen ook worden aangepast aan lokale breedtegraden, waarbij wordt geprofiteerd van het feit dat zij het meest efficiënt zijn wanneer de zonnestralen er onder een loodrechte hoek op vallen. Zij kunnen tussen de ruiten van dubbele beglazing worden geplaatst.
Forrest en zijn team werken aan verschillende verbeteringen van de technologie, met als volgende doel een lichtgebruiksefficiëntie van 7% te bereiken en de levensduur van de cel tot ongeveer 10 jaar te verlengen. Zij onderzoeken ook de economie van het installeren van transparante zonnecelramen in nieuwe en bestaande gebouwen.
Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences in het artikel, “Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics,” door Forrest, Li en collega’s Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade en Maojie Zhang. Het team omvat onderzoekers van de North Carolina State University, Soochow University in China, en SLAC National Accelerator Laboratory.
Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door het U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office, alsmede het Office of Naval Research en Universal Display Corporation.
Forrest is ook een hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen, materiaalwetenschappen en engineering, en natuurkunde.