Organisk farvestof i zinkoxidmellemlag stabiliserer og øger ydeevnen af ​​organiske solceller

Organiske solceller er lavet af billige og rigelige materialer, men deres effektivitet og stabilitet halter stadig bagefter siliciumbaserede solcellers. Et kinesisk-tysk hold af videnskabsmænd har fundet en måde at forbedre den elektriske ledningsevne af organiske solceller, hvilket øger deres præstationer. Doping af metaloxid-mellemlaget, som forbandt elektroden og det aktive lag, med et modificeret organisk farvestof booster både effektiviteten og stabiliteten, undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie afsløret.

Organiske solceller omdanner lys til elektrisk strøm. Hjertet i cellerne er det aktive organiske lag lavet af specialdesignede organiske molekyler. Her, elektroner og huller, elektronernes positive modstykker, genereres af lys og bevæger sig til elektroderne for at danne den elektriske strøm. Et tilbagevendende problem i organisk solcelledesign er matchningen af ​​materialetyperne. Elektroderne er lavet af uorganiske materialer, men det aktive lag er organisk. For at forbinde de to materialer, metaloxid-mellemlag er indført i mange organiske celletyper. Men i de fleste designs, de resulterende ledningsevner er ikke optimale.

Frank Würthner ved universitetet i Würzburg, Tyskland, og Zengqi Xie ved South China University of Technology (SCUT), Guangzhou, Kina, undersøgte ideen om at gøre et zinkoxidmellemlag lidt mere organisk og fotoledende for at reducere kontaktmodstanden, når det bestråles med sollys. Forskerne forberedte et organisk farvestof på en sådan måde, at det dannede stabile komplekser med zinkioner i zinkoxidlaget. Under sollys, dette modificerede farvestof kaldet hydroxy-PBI ville derefter sprøjte elektroner ind i zinkoxidmellemlaget, hvilket ville øge dens ledningsevne.

Forskerne samlede derefter den organiske solcelle, som bestod af en indium tinoxid glas (ITO) elektrode, zinkoxidlaget doteret med hydroxy-PBI farvestoffet, det aktive lag lavet af en polymer som elektrondonor og et organisk molekyle som acceptor, et andet metaloxid-mellemlag, og en aluminiumselektrode som den positive elektrode. Denne arkitektur, som kaldes en inverteret bulk heterojunction celle, er en avanceret organisk solcelle, som opnår en maksimal effektkonverteringseffektivitet på 15 procent.

Mellemlagsdopingen var gavnlig på flere måder. Afhængigt af farvestoffet - forskerne kontrollerede ydeevnen af ​​flere farvestoffer med lidt forskellige strukturer - blev der opnået konverteringseffektiviteter på næsten 16 procent. Og det farvestof-doterede zinkoxidmellemlag så også ud til at være mere stabilt end et uden doping. Forfatterne sagde, at det var vigtigt, at PBI-farvestoffet blev modificeret til dets hydroxy-PBI-form, hvilket gav anledning til tætte komplekser med zinkionerne. Først da kunne en uorganisk-organisk hybridstruktur udvikle sig til at danne en god kontakt med de aktive materialer.