1
Teamet uppnådde 8,1 procents effektivitet och 43,3 procents transparens med en organisk, eller kolbaserad, design i stället för konventionellt kisel. Även om cellerna har en lätt grön nyans är de mycket mer lika grå som solglasögon och bilfönster.
”Fönster, som finns på ytan av varje byggnad, är en idealisk plats för organiska solceller eftersom de erbjuder något som kisel inte kan, vilket är en kombination av mycket hög effektivitet och mycket hög synlig transparens”, säger Stephen Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering och Paul G. Goebel Professor of Engineering, som ledde forskningen.
Byggnader med glasfasader har vanligtvis en beläggning som reflekterar och absorberar en del av ljuset, både i de synliga och infraröda delarna av spektrumet, för att minska ljusstyrkan och värmen i byggnaden. I stället för att kasta bort den energin skulle genomskinliga solpaneler kunna använda den för att ta en bit av byggnadens elbehov. Transparensen hos vissa befintliga fönster liknar transparensen hos solcellerna som Forrests grupp rapporterar om i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences.
”Det nya material som vi utvecklade, och strukturen hos den enhet som vi byggde, var tvunget att balansera flera kompromisser för att ge god absorption av solljus, hög spänning, hög strömstyrka, lågt motstånd och färgnyansneutral transparens på samma gång”, säger Yongxi Li, biträdande forskarforskare i elektroteknik och datavetenskap.
Det nya materialet är en kombination av organiska molekyler som är konstruerade för att vara transparenta i det synliga och absorberande i det nära infraröda, en osynlig del av spektrumet som står för en stor del av energin i solljuset. Dessutom har forskarna utvecklat optiska beläggningar för att öka både den kraft som genereras från infrarött ljus och transparensen i det synliga området – två egenskaper som vanligtvis konkurrerar med varandra.
Den färgnyansneutrala versionen av anordningen gjordes med en indiumtinoxidelektrod. En silverelektrod förbättrade effektiviteten till 10,8 %, med 45,8 % transparens. Den versionens något grönaktiga nyans kan dock inte vara acceptabel i vissa fönstertillämpningar.
Transparenta solceller mäts med hjälp av deras ljusutnyttjandeeffektivitet, som beskriver hur mycket energi från det ljus som träffar fönstret som är tillgänglig antingen som elektricitet eller som genomsläppligt ljus på insidan. Tidigare transparenta solceller har en ljusutnyttjandeeffektivitet på ungefär 2-3 %, men indiumtinnoxidcellen har en ljusutnyttjandeeffektivitet på 3,5 % och silverversionen har en ljusutnyttjandeeffektivitet på 5 %.
Båda versionerna kan tillverkas i stor skala, med hjälp av material som är mindre giftiga än andra transparenta solceller. De genomskinliga organiska solcellerna kan också anpassas till lokala breddgrader, genom att utnyttja det faktum att de är mest effektiva när solens strålar träffar dem i en vinkel. De kan placeras mellan rutorna i dubbelglasfönster.
Forrest och hans team arbetar på flera förbättringar av tekniken, med nästa mål att nå en ljusutnyttjandeeffektivitet på 7 % och förlänga cellens livslängd till cirka 10 år. De undersöker också de ekonomiska aspekterna av att installera genomskinliga solcellsfönster i nya och befintliga byggnader.
Forskningen publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences i artikeln ”Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics” av Forrest, Li och kollegorna Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade och Maojie Zhang. I teamet ingår forskare vid North Carolina State University, Soochow University i Kina och SLAC National Accelerator Laboratory.
Detta material är baserat på arbete som stöds av US Department of Energy Solar Energy Technologies Office samt Office of Naval Research och Universal Display Corporation.
Forrest är också professor i elektroteknik och datavetenskap, materialvetenskap och teknik samt fysik.