Discovery baner vej for udvikling af effektive, billige plastik solceller

Fysikere ved Rutgers University har opdaget nye egenskaber i et materiale, der kan resultere i effektive og billige plastiksolceller til forureningsfri elproduktion.

Opdagelsen, lagt online og planlagt til offentliggørelse i et kommende nummer af tidsskriftet Naturmaterialer , afslører, at energibærende partikler genereret af lyspakker kan rejse i størrelsesordenen tusind gange længere i organiske (kulstofbaserede) halvledere, end forskere tidligere har observeret. Dette øger forskernes håb om, at solceller baseret på denne spirende teknologi en dag kan overhale siliciumsolceller i pris og ydeevne, derved øger den praktiske anvendelighed af sol-genereret elektricitet som en alternativ energikilde til fossile brændstoffer.

"Organiske halvledere er lovende til solceller og andre formål, såsom videoskærme, fordi de kan fremstilles i store plastikplader, " sagde Vitaly Podzorov, assisterende professor i fysik ved Rutgers. "Men deres begrænsede fotovoltaiske konverteringseffektivitet har holdt dem tilbage. Vi forventer, at vores opdagelse vil stimulere yderligere udvikling og fremskridt."

Podzorov og hans kolleger observerede, at excitoner - partikler, der dannes, når halvledende materialer absorberer fotoner, eller lyspartikler – kan rejse tusind gange længere i en ekstremt ren krystalorganisk halvleder kaldet rubren. Indtil nu, excitoner blev typisk observeret at bevæge sig mindre end 20 nanometer – milliardtedele af en meter – i organiske halvledere.

"Det er første gang, vi observerede excitoner migrere nogle få mikron, " sagde Podzorov, bemærker, at de målte diffusionslængder fra to til otte mikron, eller milliontedele af en meter. Dette svarer til excitondiffusion i uorganiske solcellematerialer såsom silicium og galliumarsenid.

"Når exciton-diffusionsafstanden bliver sammenlignelig med lysabsorptionslængden, du kan samle det meste af sollys til energiomdannelse, " han sagde.

Excitoner er partikellignende enheder, der består af en elektron og et elektronhul (en positiv ladning, der tilskrives fraværet af en elektron). De kan generere en fotospænding, når de rammer en halvledergrænse eller et kryds, og elektronerne bevæger sig til den ene side, og hullerne bevæger sig til den anden side af krydset. Hvis excitoner kun diffunderer titusvis af nanometer, kun dem, der er tættest på krydsene eller grænserne, genererer fotospænding. Dette er årsag til den lave elektriske konverteringseffektivitet i nutidens organiske solceller.

"Nu mister vi 99 procent af sollyset, " bemærkede Podzorov.

Mens de ekstremt rene rubren-krystaller fremstillet af Rutgers-fysikerne kun er egnede til laboratorieforskning på nuværende tidspunkt, forskningen viser, at exciton-diffusionsflaskehalsen ikke er en iboende begrænsning af organiske halvledere. Fortsat udvikling kan resultere i mere effektive og fremstillelige materialer.

Forskerne opdagede, at excitoner i deres rubrenkrystaller opførte sig mere som excitoner observeret i uorganiske krystaller - en delokaliseret form kendt som Wannier-Mott, eller WM, excitoner. Forskere troede tidligere, at kun den mere lokaliserede form for excitoner, kaldet Frenkel excitoner, var til stede i organiske halvledere. WM excitoner bevæger sig hurtigere gennem krystalgitre, hvilket resulterer i bedre opto-elektroniske egenskaber.

Podzorov bemærkede, at forskningen også producerede en ny metode til måling af excitoner baseret på optisk spektroskopi. Da excitoner ikke oplades, de er svære at måle ved hjælp af konventionelle metoder. Forskerne udviklede en teknik kaldet polarisationsopløst fotostrømspektroskopi, som adskiller excitoner ved krystallens overflade og afslører en stor fotostrøm. Teknikken skal kunne anvendes til andre materialer, Podzorov hævder.