Molekylär elektronik ger flexibla solceller

Solceller gjorda av polymerer, långa kedjor av kolatomer, är billigare att tillverka än dagens kiselbaserade. De är också mer flexibla. Ellen Moons leder ett projekt där forskare vid fyra universitet förfinar kunskapen om hur strukturen bildas i solcellens fotoaktiva skikt. Målet är att kunna öka verkningsgraden och skala upp tekniken.

Projektanslag 2016

Mastering Morphology for Solution-borne Electronics

Huvudsökande:
Professor Ellen Moons

Medsökande:
Karlstads universitet
Jan van Stam

Chalmers tekniska universitet
Christian Müller
Ergang Wang

Linköpings universitet
Fengling Zhang

Lunds universitet
Ivan Scheblykin
Petter Persson

Lärosäte:
Karlstads universitet

Beviljat anslag:
28,75 miljoner kronor under fem år

I labbet på Karlstads universitet är det full aktivitet. Det görs en efterlängtad uppgradering av ett atomkraftmikroskop, AFM, som används för att studera polymersolceller i nanometerskala, det vill säga i storleken miljarddels meter. Mikroskopbilderna ger forskarna information om materialets egenskaper. Med en skarp spets läser mikroskopet likt en grammofonspelare av morfologin, strukturer, i solcellens fotoaktiva skikt där ljuset absorberas.

– Väldigt fin upplösning, så bra har det aldrig sett ut tidigare, utbrister Ellen Moons, professor i fysik, när hon tittar på datorskärmen.

Uppgraderingen är möjlig tack vare ett femårigt projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Projektet leds av Ellen Moons och involverar även forskare från Chalmers, Lunds universitet och Linköpings universitet.

– Det övergripande syftet med projektet är att skapa polymera solceller som kan tillverkas på ett billigt sätt. Vi vill göra dem effektivare och mer stabila. Vi fokuserar på solceller eftersom det är där vi har erfarenhet, men i princip går projektets kärnfrågor att tillämpa även på annan polymerelektronik, till exempel lysdioder.

Studerar torkningsprocessen

Polymerer består av långa kedjor av framförallt kolatomer, förklarar Ellen Moons. Solceller baserade på ljusabsorberande och elektriskt ledande polymerer kan bli ett alternativ till dagens kiselbaserade solceller. Men för att de ska bli kommersiellt konkurrenskraftiga behöver de ha högre verkningsgrad och bättre livslängd.

För att skapa en solcell med rätt egenskaper och prestanda blandas polymererna i en lösning, och appliceras sedan på en yta, till exempel glas eller böjbar plast. I det fotoaktiva skiktet finns molekyler som är givare och mottagare för elektroner, donator och acceptor. Ellen Moons och hennes kollegor vill veta mer om hur de är blandade. De tar hjälp av fysik, kemi och elektronik i sitt arbete.

– Lösningsmedlet avdunstar och under torkningsprocessen förändras, fasseparerar, fördelningen av donor- och acceptormolekylerna. Vi vill veta hur detta sker och hur vi kan styra fasseparationen så att vi får en specifik morfologi i det fotoaktiva skiktet. Vi har bestämt oss för att studera en viss sort polymersolcell, en polymer-polymersolcell, där både donator och acceptor är en polymer. Alla forskargrupper i projektet kommer att fokusera på morfologin utifrån sina specialiserade metoder.

Förfinar informationen

Forskarna arbetar framförallt med experiment. Beroende på vilken storlek strukturerna på det fotoaktiva skiktet har, används olika typer av avancerade mikroskopi- och spektroskopimetoder.

– En stor utmaning är att hitta rätt metod så att vi kan se vad som händer under torkningen. Det är dynamisk process och vi vill kunna avbilda den och extrahera information om morfologin i så hög upplösning som möjligt, säger Ellen Moons.

Projektanslaget kommer också att användas till ett nytt instrument, AFM-IR, som kombinerar atomkraftmikroskopi med infraröd spektroskopi.

– Det blir det första i Sverige. Så när vi tittar på strukturen med den tunna spetsen som sveper över ytan så kommer vi samtidigt kunna gå in med en infraröd stråle och plocka ut information om vilka molekyler som finns i det fotoaktiva lagret. Vi kan se vilka molekyler som sitter var, ungefär på samma sätt som vi gör med röntgenspektroskopi på synkrotronanläggningar som vi måste åka långt till idag. Snart kan vi göra det här i Karlstad.

Mer kunskap om torkningsprocessen i det fotoaktiva skiktet är nödvändig för att på sikt kunna tillverka polymersolceller i större skala, och i speciella tryckmetoder. Ellen Moons visar ett exempel på tryckt solcell, den kommer från kollegor på Danmarks tekniska universitet.

– Vill man trycka stora böjbara polymersolceller på rulle i en tryckpress så måsta man veta hur det här skiktet torkar. Vi har inte tryckt några solceller än. Eftersom vi arbetar med grundläggande frågor så brukar vi lägga dem på ett fast substrat som är bra för våra undersökningar. Hittills har vi gjort solceller på glas, men samma teknologi kan ju även användas på böjbart substrat som plast.

Inom projektet drivs arbetet med att utveckla tryckta polymersolceller av forskarna vid Linköpings universitet i samverkan med spinoff-företaget Epishine i Norrköping.

Etablerat samarbete

Projektet är sprunget ur ett samarbete inom organiska solceller som har funnits i Sverige länge, framförallt mellan Linköping, Lund och Chalmers. Forskargrupperna kommer ha doktorander som handleds gemensamt, berättar Ellen Moons.

– Det är väldigt roligt och betyder jättemycket att få det här anslaget. För mig som forskare och oss i Karlstad, men främst för att vi kan få en långsiktig fortsättning av det här väl fungerande samarbetet. Vi kan bygga vidare på något som vi är starka på i Sverige.

Text: Susanne Rosén
Bild: Magnus Bergström