Hurtigt bevægende elektroner skaber strøm i organiske solceller

Forskere ved Purdue University har identificeret den mekanisme, der tillader organiske solceller at skabe en ladning, løse et mangeårigt puslespil inden for fysik, ifølge et papir offentliggjort fredag ​​(12. januar) i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Organiske solceller er bygget med bløde molekyler, mens uorganiske solceller, ofte siliciumbaseret, er bygget med mere stive materialer. Siliciumceller dominerer i øjeblikket industrien, men de er dyre og stive, mens organiske celler har potentialet til at være lette, fleksibel og billig. Ulempen er, at det er meget vanskeligere at skabe en elektrisk strøm i organiske celler.

For at skabe en elektrisk strøm, to partikler, en med negativ ladning (elektron) og en med positiv ladning (elektron-hul), skal skilles på trods af at de er bundet tæt sammen. Disse to partikler, som tilsammen danner en exciton, kræver normalt en menneskeskabt grænseflade for at adskille dem. Grænsefladen trækker elektronen gennem en elektronacceptor og efterlader hullet. Selv med grænsefladen på plads, elektronen og hullet er stadig tiltrukket af hinanden – der er en anden mekanisme, der hjælper dem med at adskille.

"Vi opdagede, at denne type elektron-hul-grænseflade ikke er én enkelt statisk tilstand. Elektronen og hullet kan være langt fra hinanden eller tæt på hinanden, og jo længere fra hinanden de er, jo større sandsynlighed er der for at de skilles, " sagde Libai Huang, en assisterende professor i kemi ved Purdue's College of Science, der ledede forskningen. "Når de er langt fra hinanden, de er faktisk meget mobile, og de kan bevæge sig ret hurtigt. Vi tror, ​​at denne form for hurtig bevægelse mellem den positive og negative ladning er det, der driver adskillelsen ved disse grænseflader."

Organiske solceller er svære at studere, fordi de er rodede – de ligner en skål spaghetti, sagde Huang. Der er mange grænseflader at se på, og de er meget små.

"Det er virkelig svært at lave optisk spektroskopi i den længdeskala. Disse tilstande lever heller ikke særlig længe, så du har brug for en tidsopløsning, der er meget kort, " sagde Huang. "Vi udviklede dette værktøj kaldet ultrahurtig mikroskopi, hvor vi kombinerer tid og rumlig opløsning for grundlæggende at se på processer, der sker på hurtige tidsskalaer i meget små ting."

Selv da, den rumlige opløsning er ikke god nok, så Huangs laboratorium skabte et stort, todimensionel grænseflade for at skabe orden i det kaotiske arrangement af molekyler. Løsningen på problemet er todelt, sagde hun:ultrahurtig mikroskopi og grænsefladen.

At vide, hvordan excitoner adskilles, kan hjælpe forskere med at designe nye grænseflader til organiske solceller. Det kan også betyde, at der er materialer til at bygge solceller med, som endnu ikke er blevet udnyttet, sagde Huang.