Ny teknik hjælper med at undersøge ydeevnen af ​​organiske solcellematerialer

Et forskerhold ledet af North Carolina State University har udviklet en ny teknik til at bestemme, hvilken rolle et materiales struktur har på effektiviteten af ​​organiske solceller, som er kandidater til lavpris, næste generation af solenergi. Forskerne har brugt teknikken til at fastslå, at materialer med en meget organiseret struktur på nanoskala ikke er mere effektive til at skabe frie elektroner end dårligt organiserede strukturer - en konstatering, der vil hjælpe med at guide fremtidige forsknings- og udviklingsindsatser.

"Der har været en masse undersøgelser, der ser på effektiviteten af ​​organiske solceller, men energiomdannelsesprocessen involverer flere trin – og det er svært at isolere effektiviteten af ​​hvert trin, " siger Dr. Brendan O'Connor, en assisterende professor i maskinteknik ved NC State og seniorforfatter til et papir om arbejdet. "Den teknik, vi diskuterer i vores nye papir, giver os mulighed for at løse disse variabler og fokusere på et specifikt trin - exciton dissociation effektivitet."

I store træk, organiske solceller omdanner lys til elektrisk strøm i fire trin.

Først, cellen absorberer sollys, som exciterer elektroner i cellens aktive lag. Hver exciteret elektron efterlader et hul i det aktive lag. Elektronen og hullet kaldes tilsammen en exciton. I andet trin, kaldet diffusion, excitonen hopper rundt, indtil den støder på en grænseflade med et andet organisk materiale i det aktive lag. Når exciton møder denne grænseflade, du får trin tre:dissociation. Under dissociation, excitonen går i stykker, frigør elektronen og det respektive hul. I trin fire, kaldet afgiftsopkrævning, den frie elektron går gennem det aktive lag til et punkt, hvor den kan høstes.

I tidligere organisk solcelleforskning, der var uklarhed om, hvorvidt forskelle i effektivitet skyldtes dissociation eller afgiftsopkrævning – fordi der ikke var nogen klar metode til at skelne mellem de to. Var et materiale ineffektivt til at dissociere excitoner til frie elektroner? Eller gjorde materialet bare det svært for frie elektroner at finde vej ud?

For at besvare disse spørgsmål, forskerne udviklede en metode, der udnytter en særlig egenskab ved lys:hvis lys er polariseret, så det "løber" parallelt med organiske solcellemolekylers lange akse, det vil blive absorberet; men hvis lyset løber vinkelret på molekylerne, den går lige igennem den.

Forskerne skabte højt organiserede nanostrukturer inden for en del af det aktive lag af en organisk solcelle, hvilket betyder, at molekylerne i den del løb alle på samme måde. De efterlod de resterende områder af cellen uorganiserede, hvilket betyder, at molekylerne løb i en masse forskellige retninger. Dette design gjorde det muligt for forskerne at gøre de organiserede områder af cellen effektivt usynlige ved at kontrollere polariteten af ​​lys rettet mod det aktive lag. Med andre ord, forskerne kunne teste kun den organiserede sektion eller bare den uorganiserede sektion - selvom de var på det samme aktive lag af den samme solcelle.

Fordi afgiftsopsamlingen ville være den samme for begge regioner (da de var på det samme aktive lag), teknikken gjorde det muligt for forskerne at måle, i hvilken grad strukturel organisering påvirkede materialets dissociationseffektivitet.

"Vi fandt ud af, at der ikke var nogen sammenhæng mellem dissociationseffektivitet og strukturel organisation, "O'Connor siger. "Det var virkelig en overraskelse, og det fortæller os, at vi ikke har brug for højt ordnede nanostrukturer til effektiv fri elektrongenerering.

"Praktisk set, denne teknik vil hjælpe med at skelne effektivitetstab af nyudviklede materialer, hjælper med at definere, hvilke materiale- og nanostrukturegenskaber, der er nødvendige for at fremme organisk solcelleteknologi."