Ny opdagelse kan forbedre organiske solcelleydelse

Mens der er et voksende marked for organiske solceller - de indeholder materialer, der er billigere, mere rigelig, og mere miljøvenlige end dem, der bruges i typiske solpaneler - de har også en tendens til at være mindre effektive til at omdanne sollys til elektricitet end konventionelle solceller.

Nu, forskere, der er medlemmer af Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), et nyt energimaterialerelateret videnskabscenter baseret på Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har løst et mysterium, der kan føre til gevinster i effektivitet.

De identificerede kilden til en ultrahurtig og effektiv proces, der afføder flere bærere af elektrisk ladning fra en enkelt lyspartikel i organiske krystaller, der er integreret i denne stadig mere populære form for solceller.

Denne proces - kaldet "singlet fission", fordi den ligner splittelsen af ​​atomkerner i nuklear fission til at skabe to lettere atomer fra en tungere - giver løfte om dramatisk at øge effektiviteten af ​​organiske solceller ved hurtigt at omdanne mere af sollysets energi til elektriske ladninger i stedet for at miste det til varme.

Forskergruppen fandt en ny mekanisme, der forklarer, hvordan denne reaktion kan forekomme på kun titusinder af femtosekunder (kvadrilliondeler af et sekund), før andre konkurrerende effekter kan stjæle deres energi. Deres undersøgelse blev offentliggjort den 29. december i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi opdagede faktisk en ny mekanisme, der giver os mulighed for at prøve at designe bedre materialer, "sagde Steven G. Louie, direktør for C2SEPEM, et DOE-understøttet center, der omfatter forskere fra Berkeley Lab; University of California, Los Angeles; University of Texas i Austin; og Georgia Institute of Technology.

Louie, en af ​​lederne af undersøgelsen, er også senior fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i fysik ved UC Berkeley. C2SEPEM fokuserer på at udvikle teorier, metoder, og software til at hjælpe med at forklare komplekse processer i energirelaterede materialer.

I opdelingsprocessen, en sammensat partikel sammensat af en elektron, som har en negativ ladning, og dets partnerhul - en ledig elektronposition i et materiales atomstruktur, der opfører sig som en partikel ved at bære en positiv ladning - omdannes hurtigt til to elektronhullepar. Dette fordobler det ladningsbærende potentiale i materialet, samtidig med at man undgår tab af energi som varme.

"Der er meget, vi stadig ikke forstår om den grundlæggende fysik i denne proces i krystallinske materialer, som vi håber at kaste mere lys over, "sagde Jeffrey B. Neaton, associeret direktør for C2SEPEM, der ledede undersøgelsen sammen med Louie.

Neaton er også Associate Laboratory Director for Energy Sciences på Berkeley Lab, direktøren for Berkeley Labs Molecular Foundry, og fysikprofessor ved UC Berkeley. "Den beregningsmetode, vi udviklede, er meget forudsigende, og vi brugte det til at forstå singlet fission på en ny måde, der kan tillade os at designe materialer endnu mere effektive til at høste lys, for eksempel."

Louie bemærkede, at mange tidligere anstrengelser kun havde fokuseret på nogle få molekyler i materialet - i dette tilfælde, den krystalliserede form af pentacen, som er sammensat af brint og kulstof - for at lære om disse eksotiske effekter. Men sådanne tilgange kan have forenklet effekterne, der driver singlet fission.

"Der har været mange teoretiske bestræbelser på at forsøge at forstå, hvad der foregår, " han sagde.

I denne seneste undersøgelse, forskerholdet begyndte med en storstilet visning af den overordnede struktur af den krystalliserede pentacen, og især dens symmetri - de gentagne mønstre i dets atomramme.

"Det er som at forsøge at forklare havet ved enten at se på det molekyle for molekyle, eller ser på en hel bølge, " sagde Felipe H. da Jornada, en medlederforfatter af undersøgelsen med Sivan Refaely-Abramson. Begge er postdoktorale forskere ved Berkeley Lab og UC Berkeley og er også tilknyttet C2SEPEM.

"Vores tilgang fanger direkte hele krystallen, "uanset størrelse bemærkede han.

Teamet brugte beregninger, der delvist blev udført på Berkeley Labs Molecular Foundry, og supercomputerressourcer på laboratoriets National Energy Research Scientific Computing Center for at udvikle, model, og teste deres nye teorier om fissionsprocessen.

"Vi mener, at disse teorier også kan anvendes på meget forskellige materialer, "sagde Refaely-Abramson, "og i denne forstand, teori er meget vigtig." Tidligere eksperimenter havde savnet nogle af de vigtige spor om krystalstrukturens rolle i singlet fissionsmekanismen.

Undersøgelsen konkluderer, at for effektivt at fordoble disse elektronhullepar, det udtagne materiale skal have en bestemt slags symmetri, eller gentagne kombinationer af molekyler, inden for sin krystalstruktur - ligesom et rums gulv kan vise et væld af enkle, gentagne mønstre ved hjælp af de samme fliser.

Effektiviteten af ​​singlet -fissionsprocessen ser ud til at være stærkt afhængig af antallet af molekyler pakket inden for hvert gentagende mønster eller "motiv" i krystallen, og på en bestemt type symmetri, hvori der er en 180-graders rotation og spejling af disse motiver. Dette forhold mellem symmetri og effektivitet, fandt forskerne, giver dem mulighed for at lave kraftfulde forudsigelser om effektiviteten af ​​den overordnede fission.

Disse forudsigelser kan kun være mulige, selvom, hvis elektron-hul-parrene i prøven opfører sig som bølgelignende objekter, der bevæger sig gennem hele krystallen som bølger i et hav. Denne tilgang gav dem også ny indsigt i opdelingsprocessen, og hvordan de nyskabte par skal opføre sig som bølger, der forplanter sig i modsatte retninger.

Der er stadig flere trin, der skal udarbejdes for at gøre disse fund mere relevante for virkelige applikationer, bemærkede forskerne. I solceller, for eksempel, elektroner skal effektivt frigøres fra deres parring med huller for at høste deres energi og forbedre solpanelets ydeevne.

At forstå fordoblingen af ​​ladningsbærere i et materiale kan hjælpe forskere til bedre at forklare og konstruere omvendte processer, også - f.eks. den teknologi, der bruges i nogle mobiltelefons skærme, der reducerer antallet af ladningsbærere (en proces kendt som triplet fusion), sagde Neaton.

Louie bemærkede, at det tværfaglige team, der blev samlet til undersøgelsen, et centralt aspekt af C2SEPEM -centret, var en integreret del af indførelsen af ​​nytænkning for at løse et årtier gammelt problem.

"Dette er et af de første vigtige emner, vi kunne tage fat på, og nu er det blevet til noget, " han sagde.