Ny smart metod att tillverka organiska solceller

Billiga material och enkel produktion på rulle är några av de tryckta organiska solcellernas stora fördelar. Olle Inganäs, professor vid Linköpings universitet, leder den forskargrupp som nu tagit fram en ännu enklare metod att tillverka solcellsmodulerna. Resultatet publiceras i tidskriften npj Flexible Electronics.

Tryckta organiska solceller närmar sig energieffektiviteten i de konventionella solcellerna i kisel, men behöver inte nödvändigtvis konkurrera på samma marknad.

– De organiska solcellerna är användbara i många olika sammanhang, inte minst där man har nytta av att de är transparanta, mjuka, böjliga, i olika färger och att de är billiga att tillverka, säger Olle Inganäs, professor i biomolekylär och organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Han och hans forskargrupp har nu tagit fram en förfinad metod att tillverka de tunna och flexibla solcellerna.

I en halvgenomskinlig solcellsmodul, se bilden, används elektroder med två varianter av polymeren PEDOT:PSS, vanlig inom den organiska elektroniken, där den ena fungerar som anod och den andra modifieras till katod. Det som ser ut som ränder på solcellsmodulen är just katod- respektive anodmaterialen. Det aktiva skiktet som absorberar ljus och ger elektroner ligger mellan dessa elektroder. I solcellsmodulen seriekopplas sedan de individuella solcellerna.

När elektroder och aktivt lager trycks som tunna filmer ovanpå varandra kommer defekter i ett skikt att utgöra attackpunkt för nästa lager som ska tryckas.Defekterna förstärker varandra och leder till kortslutning mellan topp och bottenelektroderna. Hittills har man löst detta problem genom att skicka en ström genom cellen.

– Man måste bränna bort defekterna i varje enskild cell. Dels är det tidsödande och dels kommer man inte lätt åt alla celler och därför blir kassationen ganska hög, förklarar Olle Inganäs.

Forskarna har nu med stor framgång testat en metod där de istället använder det aktiva polymermaterialet som lim. Två plastfilmer med anod respektive katod täcks med det aktiva materialet innan det hela lamineras samman. Att det bara är två skikt som ska tryckas minskar antalet defekter och sannolikheten att två defekter ska hamna precis mitt emot varandra vid lamineringen är försumbar.

– Det händer helt enkelt inte. Men vi upptäckte att när vi laminerar ihop de båda skikten till en flexibel och hållbar modul så ger solcellerna mera ström när ljuset kommer från det ena hållet än från det andra. Vi vill ju att cellerna ska generera lika mycket ström oavsett om solen går upp eller ner, säger han.

Forskarna har visat att det är fukten i luften som spökar. Det bildas små elektronfällor i materialet som fångar in elektroner innan de når elektroden. Lösningen här är att tillverka anod och katod-filmerna och sedan snabbt laminera ihop dem med det aktiva polymermaterialet i skyddad atmosfär. Ju kortare tid filmen exponeras för fukt desto mindre problem.

­– Vi har visat att lamineringsmetoden fungerar med många olika kombinationer av polymermaterial och att energieffektiviteten blir lika hög som vid konventionell tillverkning, säger Olle Inganäs.

De solcellsmoduler som utvecklats av Olle Inganäs och hans grupp vid Linköpings universitet utvecklas och tillverkas av avknoppningsföretaget Epishine som valt att satsa på inomhusmarknaden. Solcellerna absorberar då inomhusbelysningen och skapar ström som räcker för att försörja exempelvis sensorer som visar vad hunden gör när inte husse är hemma eller känner av fukt eller temperatur inomhus. Eftersom belysning inomhus inte har solens spektrum och intensitet blir villkoren enklare och effektiviteten god.

Asymmetric photocurrent extraction in semitransparent laminated flexible organic solar cells

Jonas Bergqvist, Thomas Österberg, Armantas Melianas, Luis Ever Aguirre,Zheng Tang, Wanzhu Cai, Zaifei Ma, Martijn Kemerink, Desta Gedefaw, Mats R Andersson, Olle Inganäs. Npj Flexible Electronics, DOI 10.1038/s41528-017-0017-6

Kontakt: professor Olle Inganäs

013 28 12 31 eller olle.inganas@liu.se