Lys på effektivitetstab i organiske solceller

Indsigt i energitab, der påvirker omdannelsen af ​​lys til elektricitet, kan være med til at forbedre organiske solcellers effektivitet. Et KAUST-ledet team af organiske kemikere, materialeingeniører, spektroskopister og teoretiske fysikere fra seks forskningsgrupper har i vid udstrækning evalueret effektivitetsbegrænsende processer i organiske solcelleanlæg.

For at høste lys, banebrydende organiske solceller er afhængige af bulk heterojunctions, blandinger af lysfølsomme elektrondonor- og acceptormaterialer. Når lys rammer heterojunction, de resulterende exciterede tilstande er par af elektroner og positivt ladede huller, der skal adskilles for at lave elektrisk strøm. Under ladningsadskillelse, donoren giver elektroner til acceptoren, og acceptoren overfører huller til donoren. Derfor, solcellernes effektivitet afhænger af to nøglefaktorer:elektronaffiniteten forskudt mellem disse materialer, som svarer til acceptorens evne til at opnå en elektron og driver elektronoverførsel; og ioniseringsenergi offset, som repræsenterer donorens tilbøjelighed til at frigive en elektron, letter huloverførsel.

Nonfulleren-acceptorer (NFA'er) har for nylig givet solceller med konverteringseffektiviteter på næsten 20 procent, bedre end fulleren-baserede acceptorer, der tidligere havde domineret. "Nøglen til disse rekordeffektiviteter er design og syntese af materialer, der kombinerer effektiv ladningsgenerering med minimalt energitab, " forklarer teamleder Frédéric Laquai. "Men, den præcise rolle af energikompensationerne og deres relaterede processer er uklar, hvilket har stoppet udviklingen af ​​designregler for NFA-baserede systemer", tilføjer han.

For at løse dette, det tværfaglige team udtænkte en tilgang til at overvåge de fotofysiske processer, der påvirker ladningsgenerering i 23 forskellige NFA-baserede systemer. "Med vores samarbejdspartner, Denis Andrienko fra Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, vi udviklede en kortfattet model, der gjorde det muligt for os at korrelere vores eksperimentelle observationer til fysiske parametre og kemiske strukturer, " siger forsker, Julien Gorenflot.

Forskerne opdagede, at i modsætning til de seneste rapporter, betydelige ioniseringsenergiforskydninger var nødvendige for at generere ladninger. I modsætning, elektronaffinitetsforskydninger kunne ikke inducere ladningsadskillelse uanset deres størrelse. Disse uventede resultater stammer fra en proces kendt som Förster resonansenergioverførsel, som ser ud til at konkurrere med elektronoverførsel. Postdoc Catherine De Castro forklarer, at "dette er en umiddelbar konsekvens af designprincippet for blandingerne, hvor donor og acceptor har overlappende emission og absorption, som letter energioverførsel."

Holdet planlægger at designe nye materialer, der kombinerer forbedret ladningsgenereringseffektivitet med lavere energitab. "Dette vil hjælpe med at reducere effektivitetskløften til andre nye solcelleteknologier og bringe organisk solcelle tættere på modenhed og anvendelse, " siger Gorenflot.

Undersøgelsen er publiceret i Naturmaterialer .