在能源部SLAC国家加速器实验室进行的实验中测试的新材料设计可以通过大大提高其收集太阳能并将其作为电能释放的能力，使低成本太阳能电池板更加高效。
加利福尼亚大学洛杉矶分校的一个研究小组的研究人员发现，通过组装面板的组件使其更接近于植物用来吸收太阳能量的自然系统，可以以稳定的方式分离正负电荷。与仅百万分之一秒相比，可达数周 - 这是许多现代太阳能电池板的现行标准。
“在光合作用中，暴露在阳光下的植物使用细胞内精心组织的纳米级结构快速分离电荷 - 将电子从留下的带正电荷的分子中拉出，并保持正电荷和负电荷分离，”Sarah Tolbert说。加州大学洛杉矶分校化学教授和该研究的高级作者之一。“这种分离是使这一过程如此高效的关键。”
该团队在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)(能源部科学用户设施办公室)进行的X射线研究使他们能够在微观层面上看到哪种材料设计在纳米尺度上具有最理想的结构，以促进这种电荷分离。结果发表在6月19日的“ 科学”杂志上。
塑料面板提供硅的低成本替代品
为了从太阳光中捕获能量，传统的屋顶太阳能电池使用硅，这可能很昂贵。太阳能电池也可以使用塑料等成本较低的材料制造，但塑料电池的效率要低得多 - 很大程度上是因为材料中分离的正负电荷通常会在它们变成电能之前重新组合。
“现代塑料太阳能电池没有像植物那样定义明确的结构，因为我们以前从未知道如何制造它们，”托尔伯特说。“但是这个新系统将收费分开并将它们隔开数天甚至数周。一旦你建立了正确的结构，你就可以大大提高能量的保留。”
更好的“面和肉丸”食谱
加州大学洛杉矶分校开发的系统由聚合物链构成，塑料构成块，吸收太阳光并将电子传递给富勒烯，一种球形碳分子，也称为“巴基球”。
这些类型的太阳能电池中的材料通常被组织成一盘煮熟的面 - 一块杂乱无章的长而瘦的聚合物“面条”，含有随机的富勒烯“肉丸”。但是这种布置使得难以从电池中获得电流，因为电子有时会跳回到聚合物面并且丢失。
研究人员想出了如何更整齐地排列元素 - 小块未煮熟的面条，配有精确放置的肉丸。一些富勒烯肉丸被设计成位于聚合物面条束内，而其他肉丸则被迫留在外面。
结构内部的富勒烯从聚合物中吸收电子并将它们抛到外部富勒烯，这可以有效地将电子与聚合物分离数周。SSRL和其他研究的一系列实验证实了聚合物链和巴基球的最佳排列。
成功和后续步骤
加州大学洛杉矶分校化学教授，该研究的共同作者本杰明施瓦茨说：“当电荷永远不会一起回来时，就会更容易以电的形式将它们从太阳能电池中取出。” “这是第一次使用这种材料显示出这么长的充电寿命。”
研究人员发现，这些材料在靠近时会自行组装成这种有序的形式。新设计比现有技术更环保，因为这些材料可以在水中组装，而不是通常使用的更有毒的有机溶液。
“一旦你制作了这些材料，就可以将它们倒入水中，由于材料的设计方式，它们会组装成合适的结构，”施瓦茨说。
研究人员正在研究如何将该技术融入实际的太阳能电池中，Tolbert说该团队正计划在SSRL进行后续研究。