Molekylære vibrationer reducerer den maksimalt opnåelige fotovoltage i organiske solceller

Forskere ved TU Dresden og Hasselt Universitet i Belgien undersøgte de fysiske årsager, der begrænser effektiviteten af ​​nye solceller baseret på organiske molekylære materialer. I øjeblikket, spændingen af ​​sådanne celler er stadig for lav - en årsag til deres stadig relativt lave effektivitet.

I deres undersøgelse, ved at undersøge molekylernes vibrationer i de tynde film, forskerne var i stand til at vise, at meget grundlæggende kvanteeffekter, såkaldte nulpunktsvibrationer, kan yde et væsentligt bidrag til spændingstab. Undersøgelsen er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Solceller er et krystallisationspunkt med store forhåbninger til den nødvendige transformation af den globale energiproduktion. Organisk fotovoltaik (OPV), som er baseret på økologisk, dvs. kulstofbaserede materialer, kunne være ideelt egnet til at blive en vigtig søjle i energimixet af "vedvarende energikilder", fordi de har en bedre økologisk balance i forhold til konventionelle siliciumbaserede moduler, og der kun kræves en lille mængde materiale til fremstilling af de tynde film. Imidlertid, en yderligere effektivitetsforøgelse er nødvendig. Det er baseret på forskellige karakteristiske værdier, såsom spændingen i det åbne kredsløb, hvis for lave værdier i øjeblikket er en hovedårsag til stadig ganske moderate effektiviteter af OPV.

Undersøgelsen undersøgte fysiske årsager til dette - herunder vibrationer af molekylerne i de tynde film. Det blev vist, at de såkaldte nulpunktsvibrationer-en effekt af kvantefysik, der kendetegner bevægelsen ved absolut temperatur nul-kan have en betydelig indflydelse på spændingstab. Der blev påvist et direkte forhold mellem molekylære egenskaber og makroskopiske enhedsegenskaber. Resultaterne giver vigtig information til videreudvikling og forbedring af nye organiske materialer.

Den lave energikant for optiske absorptionsspektre er afgørende for solcellens ydeevne, men for organiske solceller med mange påvirkningsfaktorer er det endnu ikke godt forstået. I denne undersøgelse, absorptionsbånds mikroskopiske oprindelse i molekylære blandingssystemer og deres rolle i organiske solceller blev undersøgt. Fokus var på temperaturafhængigheden af ​​absorptionskarakteristika, som blev undersøgt teoretisk under overvejelse af molekylære vibrationer. Simuleringerne matchede meget godt med de eksperimentelt målte absorptionsspektre, som fører til en række vigtige fund.

Forfatterne opdagede, at nulpunktsvibrationerne, medieret af elektron-fonon interaktion, forårsage en betydelig absorptionsbåndbredde. Dette fører til genudsendelse af en del af energien, der er ubrugt og reducerer dermed spændingen i det åbne kredsløb. Disse spændingstab kan nu forudsiges ud fra elektroniske og vibroniske molekylære parametre. Det usædvanlige er, at denne effekt er stærk, selv ved stuetemperatur og kan reducere effektiviteten af ​​den organiske solcelle betydeligt. Hvilke strategier til at reducere disse vibrationsinducerede spændingstab kunne anvendes, diskuteres af forfatterne for et større antal systemer og forskellige heterojunction geometrier.