En uventet ændring i polymerstrukturen åbner en ny vej i søgen efter forbedret solcelleeffektivitet

Solceller baseret på organiske polymerer er af stor interesse, fordi materialerne både er billigere at lave og nemmere at bearbejde end dem, der bruges i traditionelle uorganiske solceller. Til dato, imidlertid, den allerbedste effektkonverteringseffektivitet for polymersolceller forbliver under tærsklen for praktisk anvendelse. Itaru Osaka fra Emergent Molecular Function Research Group ved RIKEN Center for Emergent Matter Science og kolleger har nu serendipitalt opdaget, at ændring af polymerens struktur resulterer i en betydelig forbedring af effektkonverteringseffektiviteten1.

Når lysenergi absorberes af polymeren i en polymersolcelle, elektroner exciteres til højere energiniveauer for at producere en højenergielektron og et tilsvarende elektron-'hul'. For at omdanne lysenergien til elektrisk strøm, disse elektroner og huller skal bevæge sig gennem polymeren til elektroderne, før de rekombinerer, og energien går tabt. Meget forskning er blevet afsat til at forstå, hvordan man kan forbedre denne konverteringsproces.

Osaka og hans kolleger havde arbejdet med en bestemt type copolymer indeholdende en gentagen naphthodithiophen-naphthobisthiadiazol-struktur kaldet PNNT-DT. "PNNT-DT har meget lav opløselighed, " forklarer Osaka, "så vi var interesserede i at knytte yderligere alkylsidekæder til polymeren for at forbedre dens bearbejdelighed." Som forventet, denne modifikation forbedrede polymerens opløselighed væsentligt, men forbedrede også markant og uventet effektkonverteringseffektiviteten for solceller fremstillet med polymeren.

I solcellerne, polymeren aflejres som en tynd film, og analyse afslørede, at disse nye 'alkylerede' polymerer var arrangeret således, at polymerkæderne lå fladt i stakke på overfladen i stedet for vinkelret på den. Dette får ladningsbærerne – elektroner og huller – til at bevæge sig vinkelret på overfladen i stedet for parallelt, forbedring af effektkonverteringseffektiviteten (fig. 1). "Denne uventede ændring i orienteringen producerede solceller med en effektivitet på op til 8,2% sammenlignet med kun 5,5% for det ualkylerede materiale, " siger Osaka.

Ultimativt, Osaka og hans medarbejdere håber at kunne udnytte denne dramatiske effektivitetsforøgelse i andre polymerer for at komme tættere på at producere polymersolceller, der virkelig kan konkurrere med uorganiske solcellers effektivitet på 15 % eller mere. "Vi har brug for en større forståelse af, hvorfor denne ændring i polymerorientering sker, og så er vi nødt til at anvende det på andre polymerer, der kan absorbere en bredere række af synlige lysbølgelængder, " han siger.