Forståelse af gebyradskillelse kan resultere i billigere, mere effektive organiske solceller

Målet med at lave billige organiske solceller er måske blevet lidt mere tilgængelig med en ny forståelse af den grundlæggende videnskab om ladningsadskillelse præsenteret i et papir offentliggjort online i dag, 3. februar, i Naturkommunikation . Medforfatter af Penn State elektriske ingeniør Noel Giebink med hovedforfatter Bethany Bernardo, en bachelor i sin gruppe, og kolleger hos IMEC i Belgien, Argonne National Lab, nordvestlige, og Princeton, papiret foreslår designregler for at gøre mere effektive solceller i fremtiden.

Organiske solceller har i øjeblikket en topeffektivitet på cirka 10 procent i laboratoriet, meget mindre end uorganisk enkeltkrystal silicium. En af udfordringerne ved at realisere effektive organiske celler ligger i at adskille de stærkt bundne par, der består af en negativt ladet elektron og dets positivt ladede hul, der er resultatet af lysabsorption, samlet omtalt som en exciton. Elektronen og hullet skal adskilles for at lave en strøm.

Måden dette gøres på er ved at skabe en heterojunction, som er to forskellige organiske halvledere ved siden af ​​hinanden, hvoraf den ene kan lide at opgive en elektron og den anden som accepterer elektronen, derved spalter den oprindelige exciton i en elektron og et hul, der ligger på nærliggende molekyler. Et mangeårigt spørgsmål på området, imidlertid, er, hvordan den nærliggende elektron og hul - stadig stærkt tiltrukket af hinanden på dette stadium - formår at adskilles fuldstændigt for at generere strøm med den effektivitet, der observeres i de fleste solceller.

I løbet af de sidste par år, et nyt perspektiv har foreslået, at den høje separationseffektivitet er afhængig af en kvanteeffekt – elektronen eller hullet kan eksistere i en bølgelignende tilstand spredt ud over flere nærliggende molekyler på samme tid. Når bølgefunktionen af ​​en af ​​bærerne kollapser på et sted langt nok væk fra dens partner, afgifterne kan nemmere adskilles. Giebink og kollegers arbejde giver overbevisende nye beviser til at understøtte denne fortolkning og identificere nanokrystallinitet af det fælles acceptormateriale lavet af C ₆₀ molekyler (også kendt som fullerener eller buckyballs) som nøglen, der tillader denne delokaliseringseffekt at finde sted.

Denne lokale krystallinske orden ser ud til at være afgørende for effektiv fotostrømgenerering i organiske solceller, siger Giebink. "En almindelig opfattelse i samfundet er, at det kræver en masse overskydende energi at bryde excitonen fra hinanden, hvilket betød, at der skulle være stor energiniveauforskel mellem donor- og acceptormaterialerne. Men den store energiforskydning reducerer solcellens spænding. Vores arbejde fjerner denne opfattede afvejning i lyset af den indvirkning, som bølgefunktionsdelokalisering og lokal krystallinitet har på ladningsadskillelsesprocessen. Dette resultat skulle hjælpe folk med at designe nye molekyler og optimere donor- og acceptormorfologier, der hjælper med at øge solcellespændingen uden at ofre strøm."

Holdet brugte forskellige luminescens- og elektroabsorptionsspektroskopiske teknikker sammen med røntgendiffraktion for at nå deres konklusion. Deres resultater, detaljeret i papiret med titlen "Delokalisering og dielektrisk screening af ladningsoverførselstilstande i organiske fotovoltaiske celler, " vil give andre grupper en bedre forståelse af ladningsadskillelse, når de designer og modellerer mere effektive organiske solceller.