Strahlungstests deuten darauf hin, dass Solarzellen aus kohlenstoffbasierten oder organischen Materialien herkömmliches Silizium und Galliumarsenid bei der Stromerzeugung an der ultimativen Grenze übertreffen könnten, so eine Studie der University of Michigan.
Während sich frühere Forschungen darauf konzentrierten, wie gut organische Solarzellen Licht in Elektrizität umwandeln, nachdem sie Strahlung ausgesetzt wurden, untersuchte die neue Untersuchung auch, was auf molekularer Ebene passiert, um Leistungseinbußen zu verursachen.
„Siliziumhalbleiter sind im Weltraum aufgrund der Protonenstrahlung der Sonne nicht stabil“, sagte Yongxi Li, Erstautor der Studie, die in veröffentlicht wird Joule und zum Zeitpunkt der Forschung ein UM-Associate Research Scientist in Elektro- und Computertechnik. „Wir testen organische Photovoltaik mit Protonen, weil sie als die schädlichsten Teilchen im Weltraum für elektronische Materialien gelten.“
Bei Weltraummissionen wird Galliumarsenid aufgrund seiner hohen Effizienz und Resistenz gegen Protonenschäden oft auf Galliumarsenid gelandet. Es ist jedoch teuer und wie Silizium relativ schwer und unflexibel. Im Gegensatz dazu können organische Solarzellen flexibel und viel leichter sein. Diese Studie gehört zu denen, die die Zuverlässigkeit von Bio-Produkten untersuchen, da bei Weltraummissionen in der Regel äußerst zuverlässige Materialien verwendet werden.
Organische Solarzellen aus kleinen Molekülen schienen keine Probleme mit Protonen zu haben – sie zeigten auch nach drei Jahren Strahlung keine Schäden. Im Gegensatz dazu verloren solche, die aus Polymeren – komplexeren Molekülen mit verzweigten Strukturen – hergestellt wurden, die Hälfte ihrer Effizienz.
„Wir haben herausgefunden, dass die Protonen einige der Seitenketten spalten und dadurch eine Elektronenfalle zurückbleibt, die die Leistung der Solarzellen beeinträchtigt“, sagte Stephen Forrest, Distinguished Professor of Engineering der Peter A. Franken University an der UM, und der entsprechende Studienleiter Autor.
Diese Fallen fangen Elektronen ein, die durch auf die Zelle treffendes Licht freigesetzt werden, und verhindern so, dass sie zu den Elektroden fließen, die den Strom sammeln.
„Sie können dies durch thermisches Tempern oder Erhitzen der Solarzelle beheben. Aber wir können Wege finden, die Fallen mit anderen Atomen zu füllen und so dieses Problem zu beseitigen“, sagte Forrest.
Es ist plausibel, dass sich der Sonne zugewandte Solarzellen bei Temperaturen von 100 °C (212 °F) im Wesentlichen selbst heilen könnten – diese Hitze reicht aus, um Verbindungen im Labor zu reparieren. Es bleiben jedoch Fragen offen: Wird diese Reparatur beispielsweise noch im Vakuum des Weltraums stattfinden? Ist die Heilung zuverlässig genug für lange Missionen? Möglicherweise ist es einfacher, das Material so zu gestalten, dass keine leistungsschädlichen Elektronenfallen entstehen.
Li plant, beide Wege als außerordentlicher Professor für fortschrittliche Materialien und Fertigung an der Universität Nanjing in China weiter zu erkunden.
Die Forschung wird von Universal Display Corp und dem US Office of Naval Research finanziert.
Die Geräte wurden teilweise in der Lurie Nanofabrication Facility gebaut, im Michigan Ion Beam Laboratory einem Protonenstrahl ausgesetzt und am Michigan Center for Materials Characterization untersucht.
Das Team beantragte mit Unterstützung von UM Innovation Partnerships Patentschutz. Universal Display hat die Technologie von UM lizenziert und eine Patentanmeldung eingereicht. Forrest hat eine finanzielle Beteiligung an Universal Display Corp.
