Små molekyler kan være nøglen til at øge effektiviteten af ​​organiske solceller

At forstå, hvordan partikler bevæger sig gennem en enhed, er afgørende for at forbedre effektiviteten af ​​solceller. Forskere fra KAUST, arbejder med et internationalt team af forskere, har nu udviklet et sæt designretningslinjer for at forbedre ydeevnen af ​​molekylære materialer.

Når en pakke lys, eller foton, absorberes af en halvleder, det genererer et par partikler kendt som en exciton. En elektron er en del af dette par; den anden er dens positivt ladede ækvivalent, kaldet et hul. Excitoner er elektrisk neutrale, så det er umuligt at sætte dem i gang ved at påføre et elektrisk felt. I stedet "hopper" excitonerne ved en tilfældig bevægelse eller diffusion. Dissociationen af ​​excitonerne til ladninger er nødvendig for at skabe en strøm, men er højst usandsynlig i en organisk halvleder.

"Så typisk, vi skal blande to halvledere, en såkaldt elektrondonor og en elektronacceptor, for effektivt at generere gratis gebyrer, " forklarer Yuliar Firdaus. "Donor- og acceptormaterialerne trænger ind i hinanden; maksimering af exciton-diffusionslængden - den afstand, som exciton kan tilbagelægge, før den rekombinerer og går tabt - er afgørende for at optimere den organiske solcelles ydeevne.

Mange tidligere organiske solceller blev lavet ved at blande en polymer med molekyler, kendt som fullerener. Men for nylig, udskiftning af fulleren med andre organiske materialer såsom ikke-fulleren små molekyler frembragte imponerende forbedringer i enhedens effektivitet.

Firdaus og kolleger kombinerede målinger af fotostrømmen med ultrahurtig spektroskopi for at beregne diffusionslængden af ​​en lang række ikke-fulleren molekyler. De observerede meget lange excitondiffusionslængder, i området fra 20 til 47 nanometer - en forbedring i forhold til 5 til 10 nanometer-området, der er karakteristisk for fullerener.

For bedre at forstå denne forbedring, holdet sammenlignede data, der beskriver den krystallografiske struktur af molekylerne, med kvantekemiske beregninger. På denne måde kunne de identificere nøgleforhold mellem molekylets kemiske struktur og diffusionslængden. Med disse forbindelser etableret, forskerne udviklede et sæt regler for at hjælpe med syntesen af ​​forbedrede materialer og, ultimativt, hjælpe med design af organiske solcelleanlæg med forbedret konverteringseffektivitet.

"Næste, vi planlægger at undersøge, hvordan filmbehandlingsprocesser kan påvirke excitonoverførselshastigheden af ​​de eksisterende småmolekyleacceptorer, " siger Firdaus. "Vi er også interesserede i at oversætte reglerne for molekylært design for at syntetisere nye acceptormaterialer med bedre ydeevne."