Grupper af måleværktøj sonderer solcellematerialer

Næste generation af solceller fremstillet af organiske forbindelser lover meget i forhold til fremtidens energibehov, men forskere stræber stadig efter at få en dyb forståelse af de involverede materialer – herunder den effektivitet, hvormed de omdanner lys til mobilladning, kendt som fotokapacitans.

En Cornell-forskningsgruppe ledet af John Marohn, professor ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi, har foreslået en unik metode til optagelse og måling af lysinduceret mobil ladning - i nanoskala længder og nanosekunders tidsskalaer - på forskellige områder i et heterogent solcellemateriale.

Deres tilgang involverer en ladet mikrocantilever, som oplever et lille skift i oscillationsfasen som følge af interaktion med et nærliggende elektrisk ladet materiale. Marohn sammenligner teknikken med, hvordan et ur kan blive påvirket af en elektrisk ladning, hvor forskellen ikke kan ses i realtid, men ladningens effekt er tydelig, når du sammenligner det ur med et upåvirket.

"Urene går begge rundt en gang i timen, " sagde Marohn, "men man vil rykke lidt frem som et resultat af interaktionen med ladningen. Og ved at sammenligne de to ure, man kan se, at den ene tog lidt ekstra vinkel op."

Deres papir, "Mikrosekunds fotokapacitanstransienter observeret ved hjælp af en ladet mikrocantilever som en gated mekanisk integrator, " blev offentliggjort den 9. juni i Videnskabens fremskridt . Marohns samarbejdspartnere var ph.d.-studerende Ryan Dwyer og Sarah Nathan, der deler hovedforfatterkredit.

Gruppen har ansøgt om patentbeskyttelse for den teknik, den udviklede til dette arbejde – phase-kick electric force microscopy (pk-EFM) – hos Cornell's Center for Technology Licensing.

En af ineffektiviteten ved organiske solcellematerialer, som Marohn og hans gruppe tager fat på, er rekombination. Når sollys rammer materialet, det skaber frie ladninger (negativt ladede elektroner og positivt ladede huller), der bliver omdannet til elektrisk strøm. Men ikke alle disse gratis afgifter slipper ud af cellen og bliver til strøm; dem, der ikke bliver til strøm, rekombinerer, hvor biproduktet er varme.

Evnen til at "se" – eller, mere præcist, måle – ladningsgenerering og rekombination efter et lysudbrud var gruppens drivkraft bag udviklingen af ​​pk-EFM. En ledende cantilever er placeret i nærheden af ​​en organisk halvlederfilm; en spændingsimpuls tilføres udkrageren, mens en omhyggeligt timet lysimpuls påføres prøven.

Cantileverens oscillationsfrekvens forskydes en smule af de elektrostatiske interaktioner med de mobile ladninger i prøven. Disse interaktioner resulterer i et faseskift, eller "fase kick", som gruppen kalder det. Denne faseforskydning varer ved i lang tid (næsten et sekund) og er derfor forholdsvis let at måle nøjagtigt.

Forskerne studerer dette faseskift som en funktion af nanosekunds tidsforsinkelse mellem lysimpulserne og spændingsimpulserne. På denne måde forskerne er i stand til indirekte at udlede, hvad der skete med ladninger på nanosekunders tidsskala uden at skulle observere ladningen direkte, i realtid.

"Det, vi ønskede, var en måde at se, i disse små områder, hvor forskellige molekyler er koncentreret, hvordan ladningerne rekombinerer i de forskellige regioner af prøven, " sagde Marohn. "Vi forsøger at se ting, der både er meget hurtige og meget små."

Gruppens arbejde forsøger at undersøge mere dybt fotokapacitansen af ​​organiske bulkmaterialer, der tidligere er blevet undersøgt ved hjælp af tidsopløst elektrisk kraftmikroskopi. Fremtidigt arbejde vil fokusere på at få endnu bedre rumlig og tidsmæssig opløsning i håb om i sidste ende at afgøre, hvilken kombination af materialer der er optimal for effektiv solenergi.

"Solceller virker ok, og vi forstår ikke rigtig, hvordan de fungerer, " sagde Marohn. "Det virker som om, hvis du virkelig forstod, hvordan de fungerede, du kan gøre dem meget bedre. Og det er en måde at forsøge at finde ud af det på."