Kvantfænomenet styrer organiske solceller

Forskere ved Linköpings universitet har opdaget et kvantefænomen, der påvirker dannelsen af ​​gratis ladninger i organiske solceller. "Hvis vi korrekt kan forstå, hvad der foregår, vi kan øge effektiviteten, "siger Olle Inganäs, professor emeritus.

Doktorand Qingzhen Bian opnåede uventede resultater, da han opstillede et eksperiment for at optimere et solcellemateriale bestående af to lysabsorberende polymerer og et acceptormateriale. Olle Inganäs, professor emeritus i Division of Biomolecular and Organic Electronics bad ham om at gentage forsøget for at eliminere muligheden for målefejl. Igen og igen, og i forsøg udført både på LiU og af kolleger i Lund, det samme skete:en lille periodisk bølgeform, der varede et par hundrede femtosekunder, dukkede op i signaturen fra den optiske absorption som en fotostrøm dannet i solcellematerialet. Hvad sker der?

Forklaringen er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Noget baggrund:Når lys i form af fotoner absorberes i en halvledende polymer, en exciton dannes. Excitoner er bundne elektron-hulpar i polymeren. Elektronerne frigives ikke, og transport af afgifter fotostrømmen, opstår ikke. Når den elektron-donerende polymer blandes med et molekyle, der accepterer elektroner, elektronerne kan frigives. Elektronerne behøver derefter kun at tage et lille spring for at blive fri, og energitabet holdes på et minimum. Hullerne og elektronerne transporterer fotostrømmen, og solcellen begynder at producere elektricitet.

Dette har været kendt i lang tid. Imidlertid, den bemærkelsesværdige bølgeform dukkede derefter op i Qingzhen Bians forsøg.

"Den eneste tænkelige forklaring er, at der opstår sammenhæng mellem det ophidsede system og de adskilte ladninger. Vi bad kvantekemisterne om at undersøge dette, og de resultater, vi opnår ved gentagne forsøg, stemmer godt overens med deres beregninger, ”siger Olle Inganäs.

I kvanteskalaen, atomer vibrerer, og de vibrerer hurtigere, når de opvarmes. Det er disse vibrationer, der interagerer med hinanden på en eller anden måde og med det ophidsede elektronsystem:Bølgernes faser følger hinanden, og der opstår en tilstand af sammenhæng.

"Sammenhængen hjælper med at skabe de ladninger, der giver fotostrømmen, som finder sted ved stuetemperatur. Men vi ved ikke hvorfor eller hvordan endnu, ”siger Olle Inganäs.

Den samme kvantesammenhæng findes i den biologiske verden.

"En intens debat pågår blandt biofysikforskere, om systemer, der bruger fotosyntese, har lært at udnytte sammenhæng eller ej. Jeg finder det usandsynligt, at millioner af års evolution ikke har resulteret i, at den naturlige verden har udnyttet fænomenet, ”siger Olle Inganäs.

"Hvis vi forstod bedre, hvordan ladningsbærerne dannes, og hvordan processen kontrolleres, vi burde kunne bruge det til at øge effektiviteten af ​​organiske solceller. Vibrationerne afhænger af molekylets struktur, og hvis vi kan designe molekyler, der bidrager til at øge fotostrømmen, vi kan også bruge fænomenet til vores fordel, " han siger.