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Das Team erreichte einen Wirkungsgrad von 8,1 % und eine Transparenz von 43,3 % mit einem organischen oder kohlenstoffbasierten Design anstelle von herkömmlichem Silizium. Die Zellen haben zwar einen leichten Grünstich, ähneln aber eher dem Grau von Sonnenbrillen und Autoscheiben.
„Fenster, die sich an der Fassade jedes Gebäudes befinden, sind ein idealer Ort für organische Solarzellen, weil sie etwas bieten, was Silizium nicht kann, nämlich eine Kombination aus sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher sichtbarer Transparenz“, sagte Stephen Forrest, der Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering und Paul G. Goebel Professor of Engineering, der die Forschungsarbeiten leitete.
Gebäude mit Glasfassaden sind in der Regel mit einer Beschichtung versehen, die einen Teil des Lichts, sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich des Spektrums, reflektiert und absorbiert, um die Helligkeit und die Erwärmung im Inneren des Gebäudes zu verringern. Anstatt diese Energie zu vergeuden, könnten transparente Sonnenkollektoren sie nutzen, um den Strombedarf des Gebäudes zu senken. Die Transparenz einiger bestehender Fenster ähnelt der Transparenz der Solarzellen, über die Forrests Gruppe in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet.
„Das neue Material, das wir entwickelt haben, und die Struktur des Geräts, das wir gebaut haben, mussten mehrere Kompromisse eingehen, um gleichzeitig eine gute Sonnenlichtabsorption, eine hohe Spannung, einen hohen Strom, einen niedrigen Widerstand und eine farbneutrale Transparenz zu gewährleisten“, sagte Yongxi Li, ein Assistenzforscher in Elektrotechnik und Informatik.
Das neue Material ist eine Kombination aus organischen Molekülen, die so entwickelt wurden, dass sie im sichtbaren Bereich transparent sind und im nahen Infrarot absorbieren, einem unsichtbaren Teil des Spektrums, der einen Großteil der Energie des Sonnenlichts ausmacht. Darüber hinaus entwickelten die Forscher optische Beschichtungen, um sowohl die aus dem Infrarotlicht erzeugte Leistung als auch die Transparenz im sichtbaren Bereich zu steigern – zwei Eigenschaften, die normalerweise miteinander konkurrieren.
Die farbneutrale Version des Geräts wurde mit einer Indiumzinnoxid-Elektrode hergestellt. Eine Silberelektrode verbesserte den Wirkungsgrad auf 10,8 %, bei 45,8 % Transparenz. Die leicht grünliche Färbung dieser Version könnte jedoch für einige Fensteranwendungen nicht akzeptabel sein.
Transparente Solarzellen werden an ihrem Lichtnutzungsgrad gemessen, der beschreibt, wie viel Energie aus dem auf das Fenster auftreffenden Licht entweder als Strom oder als durchgelassenes Licht auf der Innenseite zur Verfügung steht. Bisherige transparente Solarzellen haben eine Lichtausbeute von etwa 2 bis 3 %, aber die Indium-Zinn-Oxid-Zelle hat eine Lichtausbeute von 3,5 %, und die Silberversion hat eine Lichtausbeute von 5 %.
Beide Versionen können in großem Maßstab hergestellt werden und verwenden Materialien, die weniger giftig sind als andere transparente Solarzellen. Die transparenten organischen Solarzellen können auch an die örtlichen Breitengrade angepasst werden, indem sie die Tatsache ausnutzen, dass sie am effizientesten sind, wenn die Sonnenstrahlen in einem senkrechten Winkel auf sie treffen. Sie können zwischen den Scheiben von doppelt verglasten Fenstern angebracht werden.
Forrest und sein Team arbeiten an mehreren Verbesserungen der Technologie, wobei das nächste Ziel darin besteht, eine Lichtnutzungseffizienz von 7 % zu erreichen und die Lebensdauer der Zellen auf etwa 10 Jahre zu verlängern. Sie untersuchen auch die Wirtschaftlichkeit des Einbaus von Fenstern mit transparenten Solarzellen in neue und bestehende Gebäude.
Die Forschungsergebnisse werden in den Proceedings of the National Academy of Sciences in dem Artikel „Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics“ von Forrest, Li und seinen Kollegen Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade und Maojie Zhang veröffentlicht. Zu dem Team gehören Forscher der North Carolina State University, der Soochow University in China und des SLAC National Accelerator Laboratory.
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office sowie dem Office of Naval Research und der Universal Display Corporation unterstützt wurden.
Forrest ist außerdem Professor für Elektrotechnik und Informatik, Materialwissenschaft und Technik sowie Physik.