Selvorganisering giver anledning til mere effektive organiske solceller

Organiske solceller har potentialet til at omdanne sollys til elektrisk energi på en økonomisk og miljøvenlig måde. Udfordringen er, at de stadig arbejder mindre effektivt end uorganiske halvledere. Ultrahurtige målinger på hybridceller afslører nu en vej til at fordoble deres effektivitet.

Anvendelsen af ​​organisk solcelle til produktion af elektricitet fra sollys giver et attraktivt og lovende grundlag for en innovativ og miljøvenlig energiforsyning. De kan fremstilles ganske økonomisk og, fordi de er lige så bøjelige som plastfolie, de kan behandles fleksibelt. Problemet er, at de alligevel er markant mindre effektive end konventionelle uorganiske halvlederceller. Den mest afgørende proces i omdannelsen af ​​lys til elektrisk strøm er genereringen af ​​gratis ladningsbærere. I det første trin af fotokonvertering, ved absorption af lys en komponent af den organiske solcelle, normalt en polymer, frigiver elektroner, der optages af cellens anden komponent - i dette tilfælde siliciumnanopartikler - og kan derefter transporteres videre.

"Mekanismerne og tidsskalaen for ladningsadskillelse har været genstand for kontroversiel videnskabelig debat i mange år, " siger LMU fysikprofessor Eberhard Riedle. I samarbejde med efterforskere på det tekniske universitet i München og på Bayreuth University, Riedle og hans gruppe har nu været i stand til at dissekere processen i detaljer. For at gøre det, forskerne brugte en ny hybridcelletype indeholdende både organiske og uorganiske bestanddele, hvor silicium fungerer som elektronacceptor. Baseret på den indsigt, der er opnået med dette system, de udviklede en behandlingsstrategi for at forbedre den strukturelle rækkefølge af polymeren - og fandt ud af, at dette øger effektiviteten af ​​ladningsadskillelse i organiske halvledere med op til det dobbelte. Deres resultater giver en ny måde at optimere ydeevnen af ​​organiske solceller på.

Nøglen til dette gennembrud ligger i en unik, laserbaseret eksperimentel opsætning, som kombinerer ekstrem høj tidsmæssig opløsning på 40 femtosekunder (fs) med en meget bredbåndsdetektion. Dette gjorde det muligt for holdet at følge de ultrahurtige processer induceret af fotonabsorption i realtid, efterhånden som de opstår. I stedet for de fullerener, der bruges i typiske organiske celler, forskerne brugte silicium som elektronacceptor, et valg, der har to store fordele.

"Først, med disse nye hybride solceller, vi var i stand til at sondere de fotofysiske processer, der finder sted i polymeren med større præcision end nogensinde før, og for det andet gennem brugen af ​​silicium, et meget større segment af solspektret kan udnyttes til elektricitet, siger Riedle.

Det viser sig, at gratis ladningsbærere – såkaldte polaroner – ikke genereres umiddelbart efter fotoexcitation, men med en forsinkelse på omkring 140 fs. Primær fotoexcitation af et polymermolekyle fører først til dannelsen af ​​en exciteret tilstand, kaldet en exciton. Dette adskiller sig så, frigivelse af en elektron, som derefter overføres til elektronacceptoren. Tabet af elektroner efterlader positivt ladede "huller" i polymeren og, da modsat ladede enheder tiltrækkes af hinanden af ​​Coulomb-styrken, de to har en tendens til at forene hinanden.

"For at få gratis transportører, elektron og hul skal begge være tilstrækkeligt mobile til at overvinde Coulomb-kraften, " forklarer Daniel Herrmann, den første forfatter til den nye undersøgelse. Holdet var i stand til at vise, for første gang, at dette er meget nemmere at opnå i polymerer med en bestilt, regelmæssig struktur end med polymerer, der er kaotisk arrangeret. Med andre ord, en høj grad af selvorganisering af polymeren øger effektiviteten af ​​ladningsadskillelse betydeligt.

"Den polymer, vi brugte, er en af ​​de få, der er kendt for at have en tendens til selvorganisering. Denne tendens kan hæmmes, men man kan også øge polymerens iboende tilbøjelighed til selvorganisering ved at vælge passende behandlingsparametre, " forklarer Herrmann. Ved smart at optimere behandlingen af ​​polymeren P3HT, det lykkedes forskerne at fordoble udbyttet af gratis ladningsbærere – og derved øge effektiviteten af ​​deres eksperimentelle solceller markant.