• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Energi01. 09. 2015 | Katrine Meyn

Organiske solceller: En lys fremtid med solenergi

Energi01. 09. 2015 | Katrine Meyn

Organiske polymerbaserede solceller har mange lovende egenskaber såsom mekanisk fleksibilitet, lav vægt, mulig transparens samt lave materiale- og fremstillingsomkostninger, hvilket gør dem meget interessante som fremtidige energikomponenter.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 9, 2015 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Vida Engmann og Morten Madsen, NanoSYD, Mads Clausen Insituttet, Syddansk Universitet

Der har i de sidste årtier været en stigende global opmærksomhed på, at vi er en del af et skrøbeligt økosystem med begrænsede ressourcer.
Vi lever i en begrænset og overbefolket verden, der er præget af, at vi i det 20. århundrede har overudnyttet forskellige energiformer – hovedsageligt baseret på fossile brændsler [1]. Dette vil blive et stort problem for de kommende generationer [2,3].
I 1927 var der to mia. mennesker på kloden – et tal, der i 2013 var steget til over syv mia. Den store befolkningstilvækst, kombineret med tilgængeligheden af store mængder fossile brændsler, har betydet, at vi i løbet af de sidste 140 år globalt har forbrugt en trillion tønder olie [4].
Verdens nuværende energiforbrug ligger på omkring 1.000 tønder olie, 93.000 m3 naturgas og 221 tons kul pr. sekund [5]. Denne globale trend er uholdbar af talrige miljømæssige, økonomiske og sociale årsager. Det primære problem er, at fossile brændsler ikke kan genanvendes, og at en stor del af dem er opbrugt [6]. De udvindingsmetoder, der benyttes for at udvinde den tilbageværende og ofte svært tilgængelige olie og gas, er dyre og energiinvesteringsafkastet (EROI) falder derfor drastisk [7].
Set ud fra et miljømæssigt perspektiv, er anvendelsen af de fossile brændsler ligeledes problematisk. Den årlige CO2-emission forårsaget af fossile brændsler er på 30 Gt. Stigningen i drivhuseffekten forårsager klimaforandringer, der påvirker miljøet og medfører udryddelse af arter, skove, fødevareusikkerhed, mangel på vandressourcer osv. [8-16].
Derfor gælder det om at reducere CO2-emissionen, og samtidig sikre nok energi til, at befolkningen kan opretholde en god livskvalitet. Dette komplekse problem kan løses ved at kombinere energibesparende tiltag med udvikling af nye vedvarende energikilder. Der er enighed om, at der er nok sol-, vind- og vandenergi og jordvarme til at dække det energibehov ni mia. mennesker har i 2050, hvis det antages, at hver person bruger over syv toe (ton oil equivalent) pr. år [17-21]. Som vist i figur 1 kommer det største bidrag til den vedvarende energi fra sol i form af en bred række applikationer, deriblandt solvarme, solceller og kunstig fotosyntese.

Hvorfor organiske solceller?
Der er utallige fordele ved polymersolceller, heriblandt mekanisk fleksibilitet, høj transparens, lav vægt, en bred række af tilgængelige farver, lave materialeomkostninger og potentialet for at blive massefremstillet i en kontinuert printproces til en lav pris. Dette har gjort det til et ekstremt populært forskningsområde i de sidste to årtier.
Denne fleksibilitet betyder, at de organiske solceller kan inkorporeres i en bred række af applikationer i f.eks. bilindustrien, i bygningsintegrerede materialer, mobilenheder, landbrug og industrielt design m.fl. Solpaneler, der kan rulles ud ovenpå taget eller andre overflader, er en mulighed i modsætning til de i dag kommercielt tilgængelige Silicium-solceller.
En anden stor fordel er, at de er lette at producere. Både første og anden generations solceller kræver højtemperatursmetoder, som kræver massive energimængder, hvorimod man kan producere polymerbaserede organiske solceller ved lave temperaturer. Produktionen kan også opskaleres og derved reducere omkostningen pr. areal polymersolcelle.

Hvordan fungerer solcellerne?
Konjugerede polymerer
I begyndelsen af 1960’erne rapporterede flere forskningsgrupper om opdagelsen af polymerer, der kunne lede elektricitet, deriblandt Donald E. Weiss om polypyrrol [22-27], og R. Buvets og M. Jozefowiczs studier af polyanilin [28-34]. Det mest berømte arbejde på området fulgte i 1970’erne, og blev udført af H. Shirakawa, A.G. McDiarmid og A.J. Heeger om polyacetylen [35-38], et arbejde der i 2000 blev belønnet med Nobelprisen i kemi. Det åbnede dørene for en bred række nye teknologier såsom fladskærme, solceller, solsensorer, medicinske implantater m.fl.
Denne type materialers elektriske ledningsevne skyldes skiftende enkelt-/dobbeltbindinger mellem rygradens C-atomer (i modsætning til den isolerende polymer, hvor rygraden kun består af enkeltbindinger). Enkeltbindinger er normalt -bindinger, mens dobbeltbindinger består af en -binding og en -binding. I konjugerede polymerer er hvert af rygradens C-atomer bundet til tre tilstødende atomer, hvilket efterlader en elektron i en pz-orbital.
Det er overlappet mellem C-atomernes pz-orbital, der danner en -binding, hvilket resulterer i, at elektronerne delokaliseres over hele den konjugerede rygrad. Sådanne fyldte -bindinger repræsenterer HOMO (highest occupied molecular orbital)-tilstanden, og de tomme (*)-bindinger repræsenterer LUMO (lowest unoccupied molecular orbital)-tilstanden. Overgangen fra -orbitalen (bonding) til *-orbitalen (antibonding) repræsenterer båndgabet, figur 2.

Elementarprocesser i organiske solceller
Den første rapport om den fotovoltaiske effekt i organiske materialer kom i 1959, da H. Kallmann og M. Pope beskrev den fotovoltaiske effekt for anthracen-krystaller [39]. Den opnåede fotogenererede spænding var dog kun på 0.2V og cellens effektivitet var mindre end 0.1%. Den lave effektivitet for disse devices, der bestod af et enkelt organisk materiale (homo-junction), skyldes hovedsageligt den karateristiske lave dielektricitetskonstant for organiske materialer (2-4). Den lave dielektricitetskonstant resulterer i, at der ved belysning dannes mobile exciterede stadier, excitoner, i stedet for frie elektroner og huller i cellen. Da excitoner er stærkt bundne elektron-hul par (0.7 eV i tilfælde af P3HT [40]), er det elektriske felt, der dannes i cellen, som en konsekvens af elektrodernes forskellige løsrivelsesarbejde, ikke nok til at opsplitte (dissociere) excitonerne, og der er derfor betydelige energitab i cellen.
I 1986 kom et stort gennembrud, da C. W. Tang fra Eastman Kodak introducerede konceptet med dobbeltlags hetero-junction-solceller. Ved at tilføje perylentetracarboxylderivater som elektron acceptorlag (A) ovenpå det konventionelle kobber-phthalocyanin elektron-donorlag (D), øges effektiviteten af cellerne til ca. 1% [42]. Grunden til denne drastiske forbedring i effektivitet skyldes den mere effektive opsplitning af excitoner i dobbeltlags-cellerne, som der faciliteres af den organiske D/A-grænseflade, hvor forskellen i materialernes elektronaffinitet samt ioniseringspotentiale muliggør opsplitningen. Det resulterer i, at elektronerne bliver tiltrukket materialet med den største elektronaffinitet og hullerne af materialet med det laveste ioniseringspotentiale, og derved dannelse af frie ladningsbærer i cellerne. Da exciton-diffusionslængden af det organiske materiale er meget kortere end filmenes absorptionstykkelse, reduceres tykkelsen af det effektive energi-genererende lag dog til regionen, som er nærmest D/A-grænsefladen i dobbeltlagscellerne.
I 1995 introducerede G. Yu det banebrydende nye koncept bulk hetero-junction-solceller, hvor elektrondonor- og acceptormaterialer mixes sammen, hvilket forøger deres grænsefladeareal, og som en konsekvens reduceres den afstand, excitoerne skal tilbagelægge for at nå grænsefladen [43]. Dette muliggør, at excitoner kan opsplittes nærmest hvor som helst i det aktive lag i cellen, hvilket drastisk reducerer energitab i cellen. Hvis der dertil eksisterer sammenhængende transportbaner i begge materialer, fra grænsefladen til elektroderne, kan man opnå en høj foton-til-elektron omdannelse i cellerne. Dette koncept er selv i dag accepteret som det mest effektive, og er derfor fremherskende i nuværende organiske solcellesystemer.

I figur 3 vises trinvist det operationelle princip i en bulk hetero-junction solcelle. I første trin absorberes en foton med energi større end polymerens energi båndgab, hvilket fører til dannelsen af en coulombisk stærkt bundet exciton.
I det andet trin diffunderer excitonen til donor-acceptor-grænsefladen, hvis afstanden til grænsefladen ikke er større end dens diffusionslængde.
Dernæst overvinder energien fra donor-acceptor-grænsefladen den coulombiske bindingsenergi grundet forskellen i donor- og acceptorens LUMO-niveauer, hvilket fører til opsplitningen af excitonen. Ved opsplitningen dannes der positive og negative polaroner, der stadig eksisterer som coulombisk bundne par. Dette polaron-par dissocieres af det interne elektriske felt, der eksisterer pga. forskellen i elektrodernes løsrivelsesarbejde, hvilket skaber frie ladningsbærere, som nu transporteres til hhv. anoden og katoden.
For at ekstrahere polaronerne fra det aktive lag skal anodens løsrivelsesarbejde matche donorens HOMO-niveau og katodens løsrivelsesarbejde skal matche acceptorens LUMO-niveau, hvilket sikrer ohmske kontakter.
Selvom bulk hetero-junction-konceptet fører til højere effektiviteter for organiske solceller, sammenlignet med dobbeltlagscellerne (pga. det forøgede grænsefladeareal mellem donor- og acceptorkomponenterne, vil transporten af de frie ladninger efter exciton opsplitning kun kunne foregå effektivt, hvis der eksisterer sammenhængende transportbaner fra grænsefladen til elektroderne i hver af de to materialer. Derfor er det vigtigt at finde en optimeret domænestørrelse for begge materialer i deres blanding, da større domænestørrelser favoriserer effektiv ladningstransport, hvorimod mindre domænestørrelser favoriserer effektiv exciton opsplitning. Der er undersøgt mange metoder med henblik på at optimere morfologien i organiske solceller, både ved at undersøge de indre strukturelle parametre samt de ydre procesfaktorer, som påvirker tørringen af filmen [45-50].
Bulk hetero-junction (BHJ) solceller er typisk fremstillet i en standardarkitektur, figur 4. Sådan en celle består af det aktive lag, bestående af en blanding af polymer- og fulleren-komponenter, som er klemt sammen mellem to elektroder. Substratglasset er coatet med tin-dopet indiumoxid (ITO), der bruges som den transparente ledende anode, da det besidder et højt løsrivelsesarbejde. Pga. ITO-lagets ruhed og for yderligere at øge anodens løsrivelsesarbejde pålægges ofte et yderligere lag af poly (3,4-ethylendioxythiophen): poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) inden det aktive lag. Som katodematerialer benyttes f.eks. aluminium, magnesium og calcium.

Siden marts 1994, da Yu, Zhang og Heeger beskrev den første succesfulde skabelse af polymer: fulleren bulk heterojunction solceller [51], er en bred række af materialer blevet syntetiseret og testet med henblik på brug i de aktive lag i organiske solceller. Den seneste rekord i effektivitet er opnået af Heliatek med en 12% vakuumdeponeret oligomer multi-junction solcelle. Den store effektivitetsforbedring gennem de senere år har sat et forøget fokus på kommercialisering af teknologien.
Generelt er en kommercialisering betinget af, at effektive solceller med en relativ lang levetid og lave produktionsomkostninger kan fremstilles, figur 5. Grunden til, at organiske solceller stadig kun betragtes som eksotiske nicheprodukter er i høj grad, at de har en dårlig holdbarhed, og at der er batch-til-batch variationer af de benyttede materialer og lag.
Mens batch-til-batch-problemerne hovedsageligt kan løses gennem storskalaoprensning af materialerne, er langtidsstabiliteten af de organiske solceller stadig beskeden. Deres organiske natur gør dem særligt følsomme over for lys sammenholdt med oxygen, varme og vand [53-69], et problem, der stadig udgør en udfordring, og hvortil yderligere forsknings- og udviklingsarbejde er påkrævet, inden de organiske solceller bliver kommercielt interessante.

 

Skrevet i: Energi

Seneste nyt fra redaktionen

Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop29. 09. 2026

Der er fokus på ultraforarbejdet mad. Måske skyldes megen af den dårligdom, forarbejdning nu får skyld for, snarere en ubemærket ændring i vores indtag af umættede planteolier – især i de industrialiserede lande. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden

Gekkoen kan hele sit hjerte uden arvæv

AktueltBiologi29. 09. 2026

Et forskerhold fra Aarhus Universitet har kortlagt, hvordan gekkoer gendanner beskadiget hjertevæv. Det kan gøre gekkoen til et nyt vigtigt modeldyr i jagten på at forstå kroppens evne til at reparere sig selv. Hvorfor kan nogle dyr reparere beskadigede organer, mens menneskekroppen ofte må

Hydrogensulfid og biokul

AktueltKlima og miljø22. 09. 2026

Diverse jernforbindelser og aktivt kul har traditionelt været anvendt til at fjerne hydrogensulfid (H2S) fra biogas. Med opblomstringen af pyrolyse er et relativt nyt middel kommet på banen, nemlig biokul, som dog har været udforsket på laboratorieniveau i et årti. Dette lille studie viser, at

Fremtidens cement er levende

AktueltBioteknologiKemiteknikKlima og miljø22. 09. 2026

Ny forskning fra Aalborg Universitet peger på en fremtid, hvor cement kan reparere sig selv, lagre energi, optage CO2 og reagere på omgivelserne ved hjælp af mikroorganismer. Forestil dig en fremtid, hvor hullet i vejen forsvinder af sig selv. Hvor bygningen du arbejder i, også fungerer som et

En succesfuld LabDays Copenhagen 2026

AktueltBranchenyt14. 09. 2026

Traditionen tro blev LabDays Copenhagen 2026 gennemført i KB Hallen; det skete fra den 9. - 10. september – og messen var igen i år en stor succes. Messen havde små hundrede udstillere, som bød fagpublikummet velkommen med et større fagligt program. Over 2.600 fagfolk lagde vejen forbi; så det

Kemiens etik: Et overset felt med voksende betydning

AktueltArtikler fra Dansk Kemi07. 09. 2026

Kemisk forskning og teknologi påvirker i stigende grad sundhed, miljø og samfund. Derfor er der behov for større opmærksomhed på kemiens etiske dimensioner i både forskning, undervisning og faglige organisationer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer,

Molekylær fødevarekemi former fremtidens mad

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi27. 08. 2026

Villumlegat til forsker Milena Corredig sætter fokus på struktur og funktionalitet i bæredygtige fødevarer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kimie Kongsøre, Institut for

Hvad bruger vi kalken til?

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026

Fra Aalborg Portlands hvide kridtgrave til de malede hvælv i Aarhus Domkirke: kalk er ikke kun geologi, men et materiale, der har båret dansk byggeri, industri, landbrug og kunsthistorie. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses herunder uden illustrationer, strukturer eller

Kontrolleret osmose

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026

En metode til måling af blandingsenergi i ikke-ideale opløsninger. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Dennis Wowern Nielsen1 og Claus Helix-Nielsen21 Uafhængig forsker 2

Der er forskel på thioler og thioler

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi26. 08. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I den interessante artikel om polycykliske carbonhydrider i aprilnummeret af dette blad [1] omtaltes en femleddet ring med to svovlatomer under navnet

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Mikrolab – Frisenette overtager aktiviteterne i MD Scientific

  • DENIOS ApS

    Vil du opvarme dine materialer effektivt?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Reduktion af energiomkostninger og forlængelse af vakuumpumpens levetid i fødevarepakning

  • Holm & Halby

    VidensDag’26 hos Holm & Halby

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Tilbud på GreenTips pipettespidser fra nerbe plus

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Forudkonfigurerede R&D-pakker fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions til forenklet opsætning af undersøgelser

  • DENIOS ApS

    Hvilke risici skal du være opmærksom på ved tekniske gasser?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    De 10 mest almindelige fejl ved brug af turbomolekylære vakuumpumper, og hvordan man undgår dem.

  • Holm & Halby

    Haier Biomedical går ind på markedet for rysteinkubatorer

  • Holm & Halby

    Ny generation af -86 °C frysere halverer næsten energiforbruget

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    29.09.2026

  • Gekkoen kan hele sit hjerte uden arvæv

    29.09.2026

  • Hydrogensulfid og biokul

    22.09.2026

  • Fremtidens cement er levende

    22.09.2026

  • En succesfuld LabDays Copenhagen 2026

    14.09.2026

  • Kemiens etik: Et overset felt med voksende betydning

    07.09.2026

  • Molekylær fødevarekemi former fremtidens mad

    27.08.2026

  • Hvad bruger vi kalken til?

    26.08.2026

  • Kontrolleret osmose

    26.08.2026

  • Der er forskel på thioler og thioler

    26.08.2026

  • Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

    26.08.2026

  • GC-analyse af ”håbløse” matricer

    24.08.2026

  • Hvor kommer kalken fra?

    17.08.2026

  • Fra forskning til et mere sikkert kemisk arbejdsmiljø for brandfolk

    10.08.2026

  • Størrelse betyder noget

    03.08.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}