Forskere kaster lys over organiske solcellers egenskaber

Fotovoltaiske apparater, også kendt som solceller, producere elektrisk strøm, når de udsættes for lys, og at teknologien har muliggjort en hurtigt voksende industri. De mest kendte designs bruger stive lag af siliciumkrystal. Men for nylig, intens interesse har fokuseret på organiske fotovoltaiske (OP) enheder, som bruger billige organiske halvledermaterialer klemt mellem to metalelektroder. OP-enheder kan gøres fleksible og let bærbare. Forestil dig et telt, når den er sat op, fungerer som et stort solsystem, der kan bruges til at genoplade bærbar elektronik og lys til den kommende campingnat.

Imidlertid, på dette tidspunkt er organiske solceller hæmmet af lav effektivitet i forhold til kommercielle solceller – til dels fordi det har vist sig at være udfordrende at kvantificere deres elektriske egenskaber. Derfor, forudsigelige modeller og kvantitative målinger for enhedens ydeevne er kritisk nødvendige.

Forskere fra NIST's Physical Measurement Laboratory, ledet af Semiconductor and Dimensional Metrology Division David Gundlach og Curt Richter, sammen med James Basham, en gæsteforsker fra Penn State University, har udviklet en metode, der gør det muligt at forudsige strømtætheden-spændingskurven for en fotovoltaisk enhed. ¹ Denne nye metode bruger en almindelig måleteknik (impedansspektroskopi), der er overkommelig, bredt tilgængelig for producenter, og relativt let at udføre. Teknikken kan gentages, ikke-destruktiv, rimelig hurtig (≈15 min for at teste en enhed), og - takket være en streng analyse og metodologi skabt af Basham - giver en omfattende udlæsning af enhedens strømspændingsegenskaber, som tidligere var illusion for de fleste forskere, der arbejder på området. Endelig, denne teknik gør det muligt for enheden at blive testet i rigtige ord-forhold.

"Dette målingsgennembrud skulle give os mulighed for hurtigere at optimere solceller, " Richter stater. "Vi er i stand til at se på, hvad der sker elektronisk gennem hele enheden. Vigtigt, hvor lang tid eksisterer ladningen, når den først er skabt, og hvor lang tid tager det at få den fotogenererede ladning gennem halvlederblandingen til elektroderne? Jo større forskellen mellem opladningslevetiden og enhedens transittid er, forbedrer sandsynligheden for, at en fotovoltaisk enhed vil være en mere effektiv kilde til elektrisk strøm."

I øjeblikket på laboratorieniveau, strømspændingstestning af organiske fotovoltaiske enheder udføres typisk ved at analysere enhedens drift ved begge yderpunkter af enhedens biasspektrum - dvs. en kortslutning eller et åbent kredsløb - og forsøger ud fra disse resultater at udlede, hvad der sker elektrisk i enheden. Men, når enheden ikke fungerer som en "lærebog" eller "ideel" solcelle, bliver billedet af, hvad der foregår i enheden mellem disse bias-ekstremiteter, hurtigt sløret.

"Denne tilgang virker kun, hvis rekombinationen (hvor ladningsbærerne elimineres i stedet for at fortsætte med at strømme gennem enheden) ved den ene forspænding er nominelt identisk med ladningsgenereringen ved den anden, " siger Gundlach. "I en god enhed, de burde være omtrent lige store. I en ikke-ideel enhed, de kunne være vidt forskellige. Med vores teknik, vi kan faktisk kortlægge hele spektret af karakteristika fra den ene yderlighed til den anden og adskille generation, transportere, og forskellige tabsmekanismer gennem hele bias-området."

Outputtet af denne nye teknik er den præcise gengivelse af enhedens strømtæthed-spændingskurve gennem hele spændingsområdet mellem forspændingsekstremerne. Dette giver forskere mulighed for at finde ud af, hvor der er problemer i enheden og kan tjene som en plan for, hvad der skal rettes i enheden.

"Ved at kombinere de fysiske egenskaber, liv, og bærerkoncentrationer med et nøjagtigt billede i nanoskala af halvlederfilmens mikrostruktur giver virkelig et komplet billede af, hvordan enheden fungerer, og hvad der begrænser disse enheder i at nå deres teoretisk forudsagte ydeevnegrænser, " Gundlach forklarer. "Vores kolleger i Materials Measurement Laboratory på NIST har i høj grad fremmet felternes forståelse af sidstnævnte. Vi er nu i en meget bedre position til at samle alle oplysningerne, og så kan vi udvikle mere fysisk nøjagtige enhedsmodeller, bedre informerede retningslinjer for materialedesign, og i sidste ende forbinder materialeegenskaber tættere med forarbejdningsmetoder og solcelleydelse."

Og da den fysiske proces, der styrer organisk solcelle, er meget lig andre organiske halvledere (organiske lysdioder, for eksempel, som er udbredt i elektroniske skærme), fremtidige anvendelser af denne teknik til andre industrier ser lige frem.

"Meget af den forståelse, der udvikles her, kan også anvendes til at lave bedre organiske lysemitterende dioder, " Richter forklarer. De organiske fotovoltaiske prøver, der blev brugt i denne undersøgelse, blev udviklet internt hos NIST. Den 100 nm tykke enhed har en tre-lags struktur - en top semi-transparent elektrode, den organiske solcelle, og en bundelektrode - placeret på et 1 tomme stykke glas.

For impedansspektroskopimålinger, prøven blev installeret under et hvidt LED bredbåndslys, kalibreret til én solbelysning (naturligt sollys).

Selve målingen er konceptuelt simpel:"Vi påfører en oscillerende spænding over enheden og måler den strøm, der kommer ud, " Richter forklarer. "Vi gør dette under det simulerede sollys. Matematisk, vi ser på faseforskydningen af ​​strømmen ud i forhold til spændingen ind."

Disse resultater, kombineret med Bashams analyse og metode, give en relativt billig måling, der har en enorm værdi til at forstå dominerende tabsmekanismer på tværs af hele bias-området for en enhed.

"Nu, en lille nystartet virksomhed kan gå ud og købe et impedansspektrometer og foretage denne måling med vores papir i hånden, fordi det fortæller dem hvordan, " fastslår Gundlach.

"Vi kan også udføre de samme målinger uden lyskilden i det samme spændingsområde, " Fortsætter Gundlach, "og man får ikke helt det samme svar. Der er dele af samfundet, der har argumenteret for, at man kan lave de her mørkemålinger og få det samme svar."

For nylig, Gundlach og Basham, i samarbejde med NISTs Materialemålingslaboratorium, brugt denne teknik i kombination med separat måleteknik kaldet Large Perturbation Transient Photovoltage (LPTP). ² I LPTP, den organiske fotovoltaiske prøve belyses med en laserpuls, hvilket resulterer i en midlertidig højspænding, der henfalder over en tid fra nanosekund til sekunder. Spændingen måles, og der produceres en datakurve baseret på den tid, det tager for spændingen at falde tilbage til sin mørke tilstand. Disse resulterende data giver yderligere information om rekombinationseffekterne i enheden, som impedansspektroskopi ikke er i stand til at give.

Sammenligninger af den fotogenererede ladningslevetid som funktion af ladningstæthed over et stort område af ladningstæthed produceret ved begge metoder var de samme, bekræfter, at begge teknikker følsomt og nøjagtigt kunne måle genererings- og rekombinationsprocesser på en ensartet måde.

"Det er en vigtig validering af disse måleteknikker og analysemetoder, som ikke er blevet eksplicit vist før for disse enheder; kun antaget, " fastslår Gundlach.