Sporing af ladningsbærere i den molekylære krystal ved organisk pn-forbindelse

I konventionelle organiske solceller, elektronerne udviser deres partikel-natur og skal hoppe mellem organiske molekyler i cellen. Ledningsevnen er, derfor, lavere end for krystallinske siliciumsolceller. Det er lykkedes for forskere at arrangere de organiske molekyler på en meget ordnet måde som i krystaller, og at påkalde bølgenaturen. "Konduktive bånd" dannes af energidispersive tilstande og bidrager til høj-bærebølgeledningsevnen. Det kan forbedre den samlede effektivitet af cellen.

En organisk solcelle er et lys, fleksibel, lavpris og grøn enhed, betragtes derfor som et potentielt kime til innovation i industrien for vedvarende energi. Effektiviteten af ​​energiomdannelsen af ​​den organiske solcelle er, imidlertid, lavere end nutidige siliciumsolceller.

I halvledersolceller, lyset omdannes til et energisat par af en elektron (negativ bærer) og et hul (positiv bærer) ved "pn junction"-grænsefladen ved to halvlederlag i cellen. Donor- (elektron-pitching; p-type) og acceptor (elektronfangende; n-type) molekyler i hvert lag af halvlederne vender mod hinanden som den ideelle p/n-forbindelse. For at øge antallet af sådanne solcelle-"batterier" i cellen, et stort område med pn-kryds er påkrævet, så et kompliceret "bulkhetero" pn-kryds, som er en foldet grænseflade som folder, er blevet udviklet. I sådan en kompliceret struktur som en labyrint, de genererede bærere er vanskelige at nå udgangselektroder fra cellen, fordi molekylerne er arrangeret groft, med andre ord, krystalliniteten er lav (fig. 1(a)). At realisere en høj transport effektivt, transportøren, en elektron eller et hul, bør delokalisere mellem molekyler som en stofbølge (fig. 1(b)). Det ordnede arrangement af molekyler frembringer bærernes bølgenatur.

Forskere ved Institut for Molekylær Videnskab (IMS), Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) og Tokyo University of Science er lykkedes med at fremstille den organiske halvleder-pn-junction med høj krystallinitet. I fremstillingsprocessen af ​​krydset, acceptor (perfluorpentacen) molekylerne blev deponeret på en velordnet måde på enkeltkrystal af donormolekylerne (pentacen) ved molekylær stråle epitaksi (MBE) teknik. De elektroniske strukturer af den krystallinske pn-forbindelse blev observeret ved vinkelopløst fotoelektronspektroskopi og viste, at laget af acceptormolekylerne danner valensbåndet, hvilket er bevis på at påkalde bølgenaturen. Resultatet af denne undersøgelse viser, at MBE letter fremstillingen af ​​den krystallinske pn-forbindelse, som kan bringe bølgenaturen af ​​både elektronerne og hullerne frem.

Funktionerne af organiske halvledere kan tunes ved at designe strukturerne af konstituerende organiske molekyler. Fremstillingsteknologien af ​​de krystallinske pn-forbindelser ved hjælp af en række organiske molekyler gør os i stand til at realisere det nye koncept organiske solceller med høj energikonverteringseffektivitet.