Første realtidsfilm af lys-til-nuværende konvertering i en organisk solcelle

Fotovoltaiske celler omdanner direkte sollys til elektricitet og er derfor vigtige teknologiske anordninger til at imødegå en af ​​de udfordringer, som menneskeheden står over for i dette århundrede:en bæredygtig og ren produktion af vedvarende energi. Organiske solceller, brug af polymere materialer til at fange sollys, har særligt gunstige egenskaber. De er billige, let og fleksibel, og deres farve kan tilpasses ved at variere materialesammensætningen. Sådanne solceller består typisk af nanostrukturerede blandinger af konjugerede polymerer (lange kæder af carbonatomer), fungerer som lysabsorberende, og fullerener (kulstoffodboldkugler i nanoskala), fungerer som elektronacceptorer. Det primære og mest elementære trin i lys-til-strøm konverteringsprocessen, den lysinducerede overførsel af en elektron fra polymeren til fulleren, sker med en så svimlende hastighed, at det tidligere har vist sig svært at følge den direkte.

Nu, et hold af tyske og italienske forskere fra Oldenburg, Modena og Milano rapporterede om de første realtidsfilm af lys-til-strøm konverteringsprocessen i en organisk solcelle. I en rapport offentliggjort i 30. maj-udgaven af Videnskab magasin, forskerne viser, at den kvantemekaniske, elektroners bølgelignende karakter og deres kobling til kernerne er af grundlæggende betydning for ladningsoverførslen i en organisk solcelleanordning.

"Vores første resultater var faktisk meget overraskende", siger Christoph Lienau, en fysikprofessor fra universitetet i Oldenburg, der ledede forskerholdet. "Da vi brugte ekstremt kort, femtosekund lys pulserer for at belyse polymerlaget i en organisk celle, vi fandt ud af, at lysimpulserne inducerede oscillerende, vibrationsbevægelse af polymermolekylerne. Uventet, imidlertid, vi så, at også fullerenmolekylerne alle begyndte at vibrere synkront. Vi kunne ikke forstå dette uden at antage, at de elektroniske bølgepakker, der blev begejstret af lyspulserne, ville sammenhængende svinge frem og tilbage mellem polymeren og fulleren. "Alle kolleger, som forskerne diskuterede disse indledende resultater med, opnået af ph.d. -studerende Sarah Falke fra Oldenburg i tæt samarbejde med teamet af Giulio Cerullo fra Politecnico di Milano, førende eksperter i ultrahurtig spektroskopi, var skeptiske. "I sådanne økologiske blandinger, interfacemorfologien mellem polymer og fulleren er meget kompleks, og de to grupper er ikke kovalent bundet ", siger Lienau, "derfor kan man måske ikke forvente, at vibronic kohærens vedvarer selv ved stuetemperatur. Vi spurgte derfor Elisa Molinari og Carlo A. Rozzi, af Istituto Nanoscienze i CNR og University of Modena og Reggio Emilia, for hjælp. "En række sofistikerede kvantedynamiksimuleringer, udført af Rozzi og kolleger, gav imponerende film om udviklingen af ​​den elektroniske sky og atomkernerne i dette system, som er ansvarlige for svingningerne fundet i eksperimenter. "Vores beregninger viser", siger Molinari, "at koblingen mellem elektroner og kerner er af afgørende betydning for ladningsoverførselseffektiviteten. Tilpasning af denne kobling ved at variere enhedens morfologi og sammensætning kan derfor være vigtig for at optimere enhedens effektivitet".

Vil de nye resultater umiddelbart føre til bedre solceller? "Sådanne ultrahurtige spektroskopiske undersøgelser, og især deres sammenligning med avanceret teoretisk modellering, give imponerende og mest direkte indsigt i de grundlæggende fænomener, der starter den organiske fotovoltaiske proces. De viser sig at være meget lig de strategier, som naturen har udviklet inden for fotosyntese." siger Lienau. "Nylige undersøgelser tyder på, at kvantekohærens tilsyneladende spiller en vigtig rolle i det tilfælde. Vores nye resultat giver bevis for lignende fænomener i funktionelle kunstige fotovoltaiske enheder:et konceptuelt fremskridt, som kunne bruges til at guide udformningen af ​​fremtidige kunstige lys-høstsystemer i en forsøg på at matche den endnu uovertrufne effektivitet af naturlige."