Revolutionaire wasbare, rekbare zonnecellen bereiken 8% efficiëntie

Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe organische, ultradunne zonnecel die gewassen en gerekt kan worden tot de helft van hun lengte. Het zet zonlicht om in elektriciteit met 8% efficiëntie, terwijl het zeer stabiel is in zowel lucht als water. Enkele bedrijven hebben belangstelling getoond voor commercialisering van de technologie.

De structuur van de nieuwe zonnecellen

Een team wetenschappers van RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) ontwikkelde een organische fotovoltaïsche (OPV) – een dunne organische actieve laag van zonnecel. Het transformeert het licht van de zon in elektriciteit, met 8% efficiëntie, terwijl het zeer stabiel is in zowel lucht als water.

Een dikker organische laag kan gebruikt worden om een maximale conversiesnelheid van 10% te bereiken, maar voor een OPV, die ongeveer 1 micrometer dun is, is 8% een indrukwekkende conversiesnelheid. En omdat het organische materiaal erg dun is, kan het gebogen worden zonder te breken.

Een paar maanden geleden werd dezelfde laag gebruikt om de zonnecellen te creëren, maar ze waren niet rekbaar genoeg. Het probleem werd later opgelost door gerekte rubber-achtige elastomeer-lagen aan de buitenkant te integreren (zoals een sandwich-structuur). Hierdoor kon de zonnecel zich vouwen in een accordeon-achtige structuur met pieken en dalen.

Naast het geven van rekbaarheid aan de cel, zijn de elastomeer-lagen ook enigszins waterdicht, wat de zonnecellen in staat stelt om 20 cycli van mechanische compressie in water te weerstaan voor 1 uur en 40 minuten. De efficiëntie van cellen daalde met slechts 20% na 20 wascycli.

Meer specifiek, de studie toont wasbare polymere zonnecellen met behouden hoge efficiëntie (7,9%) en rekbaarheid (52%). De mechanisch stabiele, ultraflexibele OPV's met een totale dikte van 3 micrometer zijn ontwikkeld door stabiele actieve lagen en geïnverteerde architectuur te combineren, wat een vermogensconversie-efficiëntie van tot 7,9% oplevert en een stabiele vermogensconversie-efficiëntie onder omgevingsluchtomstandigheden toont (54% van initiële efficiëntie na 1 maand), en rekbaarheid van 41%.

De degradatie van efficiëntie was 20,8% wanneer freestanding OPV's in water gedoopt werden voor 2 uur. De reductie was significant onderdrukt tot 5,4% bij het insandwichen van de flexibele OPV's tussen twee elastomeren.

Toepassingen

Deze zonnecellen kunnen gebruikt worden om elektronische apparaten te voeden zoals sensoren om lichaamstemperatuur, hartslag, bloeddruk of elektrodermale activiteit te meten. Er zijn ook talloze sensor-ingebedde textielen. Door deze technologieën te mergen met dit nieuwe type zonnecellen, kunnen een paar slimme sensor-kledingssystemen ontwikkeld worden.

In de verre toekomst, als hogere spanningen gerealiseerd kunnen worden, kunnen deze cellen in kleding gebruikt worden om handheld instrumenten op te laden zoals smartphones, tablets, en misschien één dag huishoudelijke elektriciteitsbehoeftes te voldoen. Als de zonnecellen geïntegreerd kunnen worden met lichte en dunne batterijen, kan hun effectiviteit verder verbeterd worden.

De real-world toepassingen zijn waarschijnlijk 3-5 jaar weg. Feitelijk hebben een paar bedrijven belangstelling getoond voor commercialisering van de technologie.

Echter, de twee grote obstakels voor commercialisatie zullen de grootte en kosten van de zonnecellen zijn. Voor nu zijn ze beperkt tot 10x10 cm, wat tamelijk duur is om te fabriceren. Maar dit is grotendeels te wijten aan de kosten van de actieve laag. De coating is verbazingwekkend dun, wat uiteindelijk de kosten zal verlagen. Dus als grote bedrijven op de markt besluiten het te commercialiseren, kunnen ze een nieuwe techniek bouwen om het actieve laagmateriaal in massa te produceren en de kosten te verlagen.