Kaster nyt lys på organiske solcellers elektronmotorveje

(Phys.org) – Sollys absorberet af organiske solceller skal først navigere i en nanoskala-handske, før det bliver til brugbar elektricitet. Efter at have ramt solcellens lysabsorberende materiale, kaldet det fotoaktive lag, absorberet sollys exciterer elektroner, befri dem til at finde vej gennem en labyrint fyldt med drejninger, drejninger, blindgyder, og kollisioner. Kun de gratis afgifter, der med succes klarer sig gennem denne labyrint, kan bruges i et kredsløb som elektricitet. Så videnskabsmænd har ledt efter måder at lette elektrontrafikpropperne i organiske solceller.

Nu, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Stony Brook University har udviklet en måde at kortlægge graden af ​​"trafikbelastning" på elektronmotorvejene i det fotoaktive lag. Deres nye måle- og sporingsteknik bruger optisk-guidede tilstande - en proces til at lede lys gennem præcise områder i solcellernes vandrette plan - for at hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan materialerne, der bruges i de fotoaktive lag, påvirker elektronernes hastighed og effektivitet.

"Med vores teknik, du kan nu bedre forstå, hvor langt elektronerne bevæger sig gennem det komplekse netværk af det fotoaktive lag, " sagde Brookhaven-fysiker Matthew Eisaman, teamleder på den nye undersøgelse offentliggjort online i Avancerede energimaterialer den 25. august, 2013. "Tidligere undersøgelser afslørede materialesammensætningen, men vores teknik belyser, hvordan den struktur påvirker elektrontransport."

I modsætning til de store siliciumbaserede solceller, du typisk kan se på husholdningstage eller opstillet i store installationer for at generere elektricitet, organiske solceller minder mere om fleksibel plast. Organiske celler kan finde udbredte anvendelser i bærbar elproduktion til kommerciel og militær brug eller endda i såkaldt "bygningsintegreret fotovoltaik, "hvor solceller er direkte integreret i vinduerne, facade, eller tag på en bygning. Deres fleksible former kan laves billigt i stor skala, roll-to-roll fremstilling. Men i øjeblikket er disse alsidige materialer ikke så effektive som uorganiske muligheder.

Sporing af afgifter

Når lys exciterer elektroner i det fotoaktive lag af organiske solceller, processen skaber et par ladningsbærere - en elektron og et "hul, "fraværet af en elektron, hvor den engang eksisterede. For at blive gratis ladninger, elektron-hul-parrene skal adskilles, og dette sker ved grænsefladerne mellem to materialer, der typisk udgør det fotoaktive lag, den ene er en elektronacceptor og den anden en elektrondonor.

De mest almindeligt anvendte fotoaktive lag i organiske solceller kaldes bulk heterojunctions (BHJ'er), hvor acceptor- og donormaterialer blandes. Dette giver mulighed for mere effektiv lysabsorption og ladningsekstraktion, fordi disse kritiske grænseflader er til stede i hele cellen.

Elektronacceptor- og elektrondonordelene af det BHJ fotoaktive lag er som to forskellige typer motorvejsnetværk i solcellen, Eisaman forklarede. Elektroner bevæger sig langs elektronacceptormotorvejssystemet, som er lavet af fulleren molekyler, mens deres tilsvarende huller bevæger sig gennem elektrondonormotorvejssystemet, som er lavet af en halvledende polymer. At forstå, hvordan elektroner bevæger sig gennem det fotoaktive BHJ-lag, har potentialet til at gøre organiske solceller mere effektive end dem, der er tilgængelige i øjeblikket.

For at afsløre de indre strukturer og interaktioner af disse BHJ "motorveje, "Forskere fra Brookhaven Lab undersøgte solcellerne med lys fra forskellige retninger.

"Solceller er som pandekager, flad med stor overflade, " sagde Eisaman. "Sollys rammer typisk solcellen fra oversiden og passerer gennem dens tynde lag. Dette kaldes normal forekomst."

Tidligere ville forskere observere det fotoaktive lag ved at skinne en laser gennem toppen af ​​solcellen, ligner solskin. Men at sondere solceller med normal forekomst er en ufuldstændig metode - lys skinnet fra oven vil have en tendens til at have højere intensitet i toppen af ​​det fotoaktive lag, faldende, efterhånden som den bliver absorberet gennem materialet og begrænser opløsningen. Den nye metode, som Eisaman og hans team udviklede, sender lys vandret gennem solcelleanlægget i stedet for kun fra toppen.

"Guidede optiske tilstande giver mulighed for bedre kontrol over lysets position, " sagde Eisaman. "Lyset forplanter sig i pandekagens plan, give mere præcise oplysninger."

Fulleren og polymermaterialer blandes ikke ensartet gennem det fotoaktive BHJ-lag. I stedet, materialerne har en tendens til at "faseseparere, " hvor den ene side er polymerrig, og den anden side er fullerenrig. Denne faseadskillelse påvirker både udbredelsen af ​​lys og passagen af ​​elektroner og huller gennem laget. Ved at bruge deres højopløselige billede af det fotoaktive BHJ-lag, forskerne kortlagde derefter, hvordan elektroner bevæger sig gennem solcellen.

"Elektronerne og hullerne er som to forskellige bilmærker, der kører på to forskellige typer motorveje, " sagde Nanditha Dissanayake, hovedforfatter på undersøgelsen. "Vi ønsker at forstå, ved hvilken 'afkørsel' hver bil først dukker op på solcellemotorvejen, og hvad sker der, når de rejser til en by – eller en elektrisk kontakt – hvor motorvejene ender."

Den nye metode gjorde det muligt for Eisaman og hans team selektivt at excitere områder inden for det fotoaktive BHJ-lag, så de kunne måle, med hidtil uset nøjagtighed og enkelhed, afstanden elektronerne rejser.

"Med den normale incidensmetode, du skaber en masse biler spredt et sted mellem afkørsel 35 og 50, " sagde Eisaman. "Men med vores guidede teknik, vi er i stand til effektivt at skabe biler ved præcis afkørsel 60. Så vi kan observere, hvor mange af dem, der rejste sikkert fra den afkørsel til enden af ​​motorvejen, tydeligt tegne stien og afsløre hullerne, vejspærringer og ulykker."

Tilføjet Dissanayake, "Denne teknik giver dig en grundlæggende forståelse af, hvordan sammensætningen i en solcelle påvirker ladningsudvindingen og effektiviteten af ​​en enhed. Den giver folk retningslinjer for, hvordan man formulerer højeffektive solceller - ikke begrænset til organiske, men også andre typer af nanomateriale-baserede solceller."

Forskerne brugte instrumenter på Labs Center for Funktionelle Nanomaterialer (CFN) til at fremstille solcellerne og karakterisere deres materialeegenskaber. De udførte også præcise målinger på faseadskillelse ved hjælp af Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS).

"De gratis muligheder for de nye optoelektroniske teknikker, der udvikles i vores laboratorium, og fabrikations- og materialekarakteriseringsfaciliteterne i verdensklasse hos CFN gør Brookhaven til et perfekt sted at udføre dette arbejde, " sagde Eisaman.

"Denne teknik er kernen i vores strategi for at opbygge nye og unikke muligheder for karakterisering af fotovoltaiske enheder, " sagde Patrick Looney, formand for Sustainable Energy Technologies Department ved Brookhaven Lab, hvor Eisaman arbejder.

Artiklen har titlen "Kortlægning af rumligt løst opkrævningssandsynlighed inden for bulk Heterojunction Photovoltaics."