Halvledergennembrud kan være en game-changer for organiske solceller

I et forskud, der kunne skubbe billigt, allestedsnærværende solenergi tættere på virkeligheden, Forskere fra University of Michigan har fundet en måde at lokke elektroner til at rejse meget længere, end man tidligere troede var muligt i de materialer, der ofte bruges til organiske solceller og andre organiske halvledere.

"Årevis, folk havde behandlet den dårlige ledningsevne af organiske stoffer som en uundgåelig kendsgerning, og dette viser, at det ikke altid er tilfældet, " sagde Stephen Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering og Paul G. Goebel Professor of Engineering ved U-M, der ledede forskningen.

I modsætning til de uorganiske solceller, der er meget udbredt i dag, organiske stoffer kan laves af billige, fleksible kulstofbaserede materialer som plastik. Producenterne kunne fremstille ruller af dem i en række forskellige farver og konfigurationer, skal lamineres diskret ind i næsten enhver overflade.

Organics notorisk ringe ledningsevne, imidlertid, har bremset forskningen. Forrest mener, at denne opdagelse kan ændre spillet. Resultaterne er detaljerede i en undersøgelse offentliggjort 17. januar i Natur .

Holdet viste, at et tyndt lag af fulleren-molekyler - de nysgerrige runde kulstofmolekyler, også kaldet Buckyballs - kan gøre det muligt for elektroner at rejse op til flere centimeter fra det punkt, hvor de bliver slået løs af en foton. Det er en dramatisk stigning; i nutidens organiske celler, elektroner kan kun rejse nogle få hundrede nanometer eller mindre.

Elektroner, bevæger sig fra et atom til et andet, udgør den elektriske strøm i en solcelle eller elektronisk komponent. Materialer som silicium, bruges i nutidens uorganiske solceller og andre halvledere, har tæt bundne atomare netværk, der gør det nemt for elektroner at rejse gennem materialet.

Men organiske materialer har meget løsere bindinger mellem individuelle molekyler, som kan fange elektroner. Dette har længe været en akilleshæl af økologiske produkter, men den nye opdagelse viser, at det kan være muligt at justere deres ledende egenskaber til specifikke applikationer.

Evnen til at få elektroner til at bevæge sig mere frit i organiske halvledere kan have vidtrækkende konsekvenser. For eksempel, overfladen af ​​nutidens organiske solceller skal være dækket af en ledende elektrode, der opsamler elektroner på det punkt, hvor de oprindeligt genereres. Men frit bevægende elektroner kan opsamles langt væk fra deres oprindelsessted. Dette kunne gøre det muligt for producenterne at krympe den ledende elektrode til et usynligt gitter, baner vejen for gennemsigtige celler, der kan bruges på vinduer og andre overflader.

"Denne opdagelse giver os i det væsentlige en ny knap at dreje på, når vi designer organiske solceller og andre organiske halvlederenheder, " sagde Quinn Burlingame, en U-M elektroingeniør og datalogi kandidatforsker og forfatter på studiet. "Muligheden for langtrækkende elektrontransport åbner en masse nye muligheder inden for enhedsarkitektur."

Burlingame siger, at den første opdagelse af fænomenet kom som noget af en ulykke, da holdet eksperimenterede med organisk solcellearkitektur i håb om at øge effektiviteten. Ved at bruge en almindelig teknik kaldet vakuum termisk fordampning, de lagde sig i en tynd film af C60 fullerener - hver lavet af 60 kulstofatomer - oven på en organisk celles kraftproducerende lag, hvor fotonerne fra sollys slår elektroner løs fra deres tilknyttede molekyler. På toppen af ​​fullerenerne, de lægger endnu et lag for at forhindre elektronerne i at undslippe.

De opdagede noget, de aldrig havde set før i en organisk - elektroner skitrede uhæmmet gennem materialet, selv uden for cellens strømgenererende område. Gennem måneders eksperimenter, de fastslog, at fullerenlaget dannede det, der er kendt som en energibrønd - et lavenergiområde, der forhindrer de negativt ladede elektroner i at rekombinere med de positive ladninger, der er tilbage i det strømproducerende lag.

"Du kan forestille dig en energi godt som en slags canyon - elektroner falder ned i den og kan ikke komme ud igen, " sagde Caleb Cobourn, en færdiguddannet forsker i U-M Institut for Fysik og en forfatter på studiet. "Så de fortsætter med at bevæge sig frit i fullerenlaget i stedet for at rekombinere i det kraftproducerende lag, som de plejer. Det er som en massiv antenne, der kan opsamle en elektronladning fra hvor som helst i enheden."

Forrest advarer om, at udbredt brug af opdagelsen i applikationer som solceller er teoretisk på dette tidspunkt. Men, han er begejstret over opdagelsens større implikationer for forståelsen og udnyttelsen af ​​organiske halvlederes egenskaber.

"Jeg tror på, at allestedsnærværende solenergi er nøglen til at drive vores konstant opvarmende og stadig mere overfyldte planet, og det betyder at sætte solceller på hverdagsgenstande som bygningsfacader og vinduer, "Forrest sagde. "Teknologi som denne kunne hjælpe os med at producere strøm på en måde, der er billig og næsten usynlig."

Undersøgelsen har titlen "Centimeter-Scale Electron Diffusion in Photoactive Organic Heterostructures." Forskningen blev støttet af US Department of Energy SunShot Program og af Air Force Office of Scientific Research.