Ny vej til mere effektive organiske solceller afsløret hos Advanced Light Source

Hvorfor er effektive og overkommelige solceller så eftertragtede? Bind. Mængden af ​​solenergi, der hvert år oplyser Jordens landmasse, er næsten 3, 000 gange det samlede årlige menneskelige energiforbrug. Men for at konkurrere med energi fra fossile brændstoffer, solcelleanlæg skal omdanne sollys til elektricitet med en vis effektivitet. For polymerbaserede organiske fotovoltaiske celler, som er langt billigere at fremstille end siliciumbaserede solceller, forskere har længe troet, at nøglen til høj effektivitet hviler i renheden af ​​den polymere/organiske celles to domæner – acceptor og donor. Nu, imidlertid, en alternativ og muligvis lettere rute frem er vist.

Arbejder hos Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en førende kilde til røntgen- og ultraviolette lysstråler til forskning, et internationalt hold af forskere fandt ud af, at for højeffektive polymer/organiske fotovoltaiske celler, størrelse betyder noget.

"Vi har vist, at urene domæner, hvis de gøres tilstrækkeligt små, også kan føre til forbedret ydeevne i polymerbaserede organiske fotovoltaiske celler, siger Harald Ade, en fysiker ved North Carolina State University, der ledede denne forskning. "Der ser ud til at være et glad medie, en slags sød spot, mellem renhed og domænestørrelse, der burde være meget nemmere at opnå end ultrahøj renhed."

Ade, en mangeårig bruger af ALS, er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver dette arbejde i Avancerede energimaterialer med titlen "Absolut måling af domænesammensætning og nanoskalastørrelsesfordeling forklarer ydeevne i PTB7:PC71 BM solceller." Medforfattere er Brian Collins, Zhe Li, John Tumbleston, Eliot Gann og Christopher McNeill.

Effektiviteten af ​​solcellekonvertering i polymer/organiske fotovoltaiske celler afhænger af excitoner – elektron/hul-par, der aktiveres af sollys – når hurtigt til grænsefladerne mellem donor- og acceptordomænerne for at minimere energitab som varme. Konventionel visdom mente, at jo større renhed domænerne er, jo færre impedanser og jo hurtigere exciton-rejse.

Ade og hans medforfattere blev de første til samtidig at måle domænestørrelsen, sammensætning og krystallinitet af en organisk solcelle. Denne bedrift blev muliggjort af ALS beamlines 11.0.1.2, en Resonant Soft X-ray Scattering (R-SoXS) facilitet; 7.3.3, en lille- og vidvinkel røntgenspredning (SAXS/WAXS/) endestation; og 5.3.2, en slutstation til Scanning Transmission X-Ray Microscopy (STXM).

siger Collins, den første forfatter på Avancerede energimaterialer papir, "Kombinationen af ​​disse tre ALS-strålelinjer gjorde det muligt for os at opnå omfattende billeder af polymerbaseret organisk fotovoltaisk filmmorfologi fra nano- til meso-skalaen. Indtil nu, denne information har været uopnåelig."

Det internationale team brugte trifectaen af ​​ALS-stråler til at studere polymer/fyldighedsblandingen PTB7:PC71BM i tynde film fremstillet af chlorbenzenopløsning med og uden tilsætning (tre volumenprocent) af opløsningsmidlet diiodoctan. Filmene var sammensat af dråbelignende dispersioner, hvori den dominerende acceptordomænestørrelse uden additivet var ca. 177 nanometer. Tilsætningen af ​​opløsningsmidlet skrumpede acceptordomænets størrelse ned til ca. 34 nanometer, mens filmens sammensætning og krystallinitet blev bevaret. Dette resulterede i en effektivitetsgevinst på 42 procent.

"Ved at vise for første gang, hvor rene og hvor store acceptordomænerne i organiske solenergienheder faktisk er, samt hvordan grænsefladen med donordomænet ser ud, vi har vist, at virkningen af ​​opløsningsmidler og additiver på enhedens ydeevne kan være dramatisk og systematisk kan studeres, " siger Ade. "I fremtiden, vores teknik skulle hjælpe med at fremme det rationelle design af polymerbaserede organiske solcellefilm."