A pesar de todas las promesas que han demostrado en el laboratorio, las células solares de polímero todavía necesitan "ponerse en marcha" como las que se emplean en la impresión de periódicos para que se puedan fabricar de forma continua y económica grandes hojas de dispositivos fotovoltaicos aceptablemente eficientes. Polymer solarLas células ofrecen ventajas sobre sus contrapartes tradicionales basadas en silicio de muchas maneras, incluido un menor costo, una huella de carbono potencialmente más pequeña y una mayor variedad de usos.
Los nuevos resultados de investigación informados por un equipo internacional liderado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST indican que el "punto óptimo" para las células solares de polímero de producción masiva, una perspectiva tentadora durante décadas, puede ser mucho mayor quedictado por la sabiduría convencional. En experimentos que utilizaron una maqueta de un método de procesamiento de rollo a rollo de alto volumen, los investigadores produjeron células solares a base de polímeros con una "eficiencia de conversión de energía" de mejor del 9,5 por ciento, apenasdel objetivo comercial mínimo del 10 por ciento.
Eso es casi tan bueno como los dispositivos de lotes pequeños fabricados en el laboratorio con recubrimiento por rotación, un método que produce películas de alta calidad en el laboratorio, pero no es comercialmente práctico ya que desperdicia hasta el 90 por ciento de la tinta inicial.
Algo sorprendente para los investigadores, sus versiones producidas en masa exhibieron un empaquetamiento molecular y una textura que se parecían solo un poco a las de las variedades fabricadas en laboratorio, que en el mejor de los casos convierten aproximadamente el 11 por ciento de la luz solar incidente en energía eléctrica.
"La 'regla general' ha sido que las células solares de polímero de alto volumen deben verse como las que se fabrican en el laboratorio en términos de estructura, organización y forma a escala nanométrica", dijo Lee Richter, un físico del NIST que trabajasobre polímeros funcionales. "Nuestros experimentos indican que los requisitos son mucho más flexibles de lo supuesto, lo que permite una mayor variabilidad estructural sin sacrificar significativamente la eficiencia de conversión".
"La fabricación eficiente de rollo a rollo es clave para lograr la producción de alto volumen y bajo costo que permitiría que la energía fotovoltaica se escale a una fracción significativa de la producción de energía global", explicó He Yan, colaborador de la Universidad de Hong Kong deCiencia y Tecnología.
El equipo experimentó con un material de recubrimiento compuesto por un polímero fluorado y un fullereno también conocido como "buckyball". Con el nombre técnico PffBT4T-2OD, el polímero es atractivo para la producción a escala, logrando una conversión de potencia informada.eficiencia de más del 11 por ciento. Es importante destacar que se puede aplicar en capas relativamente gruesas, lo que favorece el procesamiento de rollo a rollo.
Sin embargo, las células solares de alto rendimiento se produjeron con el método de recubrimiento por rotación, un proceso de lotes pequeños. En el recubrimiento por rotación, el fluido se dispensa en el centro de un disco u otro sustrato, que gira para esparcir el material hastase logra el espesor de recubrimiento deseado. Además de generar una gran cantidad de desechos, el proceso es por partes, en lugar de continuo, y el tamaño del sustrato es limitado.
Por lo tanto, el equipo de investigación optó por probar métodos de recubrimiento comercialmente relevantes, especialmente porque el PffBT4T-2OD se puede aplicar en capas relativamente gruesas de 250 nanómetros y más, o aproximadamente del tamaño de un virus grande. Comenzaron con el recubrimiento de la cuchilla, similar aa sostener el borde de un cuchillo a una fracción del ancho de un cabello por encima de un sustrato de vidrio tratado mientras se desliza, pintando el PffBT4T-2OD sobre el sustrato.
Una serie de mediciones basadas en rayos X reveló que la temperatura a la que se aplicó y se secó el PffBT4T-2OD influyó significativamente en la estructura del material del recubrimiento resultante, especialmente en la orientación, el espaciado y la distribución de los cristales que se formaron.
Los sustratos recubiertos con cuchilla a 90 grados Celsius 194 grados F fueron los de mayor rendimiento, logrando eficiencias de conversión de energía que superaron el 9.5 por ciento. Sorprendentemente, a nivel nanométrico, los productos finales diferían significativamente del "campeón" recubierto por rotacióndispositivos fabricados en el laboratorio. Las mediciones detalladas en tiempo real durante el recubrimiento de la cuchilla y el recubrimiento por rotación revelaron que las diferentes estructuras surgieron del enfriamiento rápido durante el recubrimiento por rotación versus la temperatura constante durante el recubrimiento de la cuchilla.
"Las mediciones en tiempo real fueron fundamentales para desarrollar una comprensión adecuada de la cinética de formación de la película y la optimización final", dijo Aram Amassian, colaborador de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah de Arabia Saudita.
Animado por los resultados, el equipo realizó mediciones preliminares del recubrimiento PffBT4T-2OD formado en la superficie de una hoja de plástico flexible. El recubrimiento se aplicó en la línea de recubrimiento rollo a rollo de troquel de ranura de NIST, imitando directamente la producción a gran escalaLas mediciones confirmaron que las estructuras de material fabricadas con revestimiento de cuchilla y las fabricadas con revestimiento de matriz ranurada eran casi idénticas cuando se procesaban a las mismas temperaturas.
"Está claro que el tipo de método de procesamiento utilizado influye en la forma de los dominios y su distribución de tamaño en el recubrimiento final, pero estas morfologías claramente diferentes no necesariamente socavan el rendimiento", dijo Harald Ade, colaborador de la Universidad Estatal de Carolina del Norte"Creemos que estos hallazgos proporcionan pistas importantes para diseñar células solares de polímero optimizadas para el procesamiento de rollo a rollo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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