Magnetiske nanopartikler forbedrer solcellers ydeevne

Magnetiske nanopartikler kan øge ydeevnen af ​​solceller lavet af polymerer - forudsat at blandingen er rigtig. Det er resultatet af en røntgenundersøgelse hos DESYs synkrotronstrålingskilde PETRA III. Tilsætning af omkring en vægtprocent af sådanne nanopartikler gør solcellerne mere effektive, ifølge resultaterne af et hold videnskabsmænd ledet af prof. Peter Müller-Buschbaum fra det tekniske universitet i München. De præsenterer deres undersøgelse i et af de kommende numre af tidsskriftet Avancerede energimaterialer (offentliggjort online på forhånd).

Polymer, eller økologisk, solceller tilbyder et enormt potentiale:De er billige, fleksibel og ekstremt alsidig. Deres ulempe sammenlignet med etablerede siliciumsolceller er deres lavere effektivitet. Typisk, de omdanner kun nogle få procent af det indfaldende lys til elektrisk strøm. Alligevel, organiske solceller er allerede økonomisk levedygtige i mange situationer, og videnskabsmænd leder efter nye måder at øge deres effektivitet på.

En lovende metode er tilsætning af nanopartikler. Det har vist sig, for eksempel, at guld nanopartikler absorberer yderligere sollys, hvilket igen producerer yderligere elektriske ladningsbærere, når energien frigives igen af ​​guldpartiklerne.

Müller-Buschbaums team har fulgt en anden tilgang, imidlertid. "Lyset skaber par af ladningsbærere i solcellen, bestående af en negativt ladet elektron og et positivt ladet hul, som er et sted, hvor der mangler en elektron, " forklarer hovedforfatteren til den aktuelle undersøgelse, Daniel Moseguí González fra Müller-Buschbaums gruppe. "Kunsten at lave en organisk solcelle er at adskille dette elektron-hul-par, før de kan rekombinere. Hvis de gjorde, den producerede ladning ville gå tabt. Vi ledte efter måder at forlænge levetiden af ​​elektron-hul-parret, hvilket ville give os mulighed for at adskille flere af dem og dirigere dem til modsatte elektroder."

Denne strategi gør brug af et kvantefysisk princip, som siger, at elektroner har en slags indre rotation, kendt som spin. Ifølge kvantefysikkens love, dette spin har en værdi på 1/2. Det positivt ladede hul har også et spin på 1/2. De to spins kan enten lægges sammen, hvis de er i samme retning, eller annullere hinanden, hvis de er i modsatte retninger. Elektron-hul-parret kan derfor have et samlet spin på 0 eller 1. Par med et spin på 1 eksisterer længere end dem med et samlet spin på 0.

Forskerne satte sig for at finde et materiale, der var i stand til at konvertere spin 0-tilstanden til en spin 1-tilstand. Dette krævede nanopartikler af tunge grundstoffer, som vender elektronens eller hullets spin, så de to partiklers spins er justeret i samme retning. Jernoxidmagnetitten (Fe3O4) er faktisk i stand til netop dette. "I vores eksperiment, tilføjelse af magnetitnanopartikler til substratet øgede solcellernes effektivitet med op til 11 pct. " rapporterer Moseguí González. Levetiden for elektron-hul-parret er væsentligt forlænget.

Tilsætning af nanopartikler er en rutineprocedure, som nemt kan udføres i løbet af de forskellige metoder til fremstilling af organiske solceller. Det er vigtigt, imidlertid, ikke at tilføje for mange nanopartikler til solcellen, fordi den indre struktur af organiske solceller er finjusteret for at optimere afstanden mellem de lysopsamlende, aktive materialer, så parrene af ladningsbærere kan adskilles så effektivt som muligt. Disse strukturer ligger i området fra 10 til 100 nanometer.

"Røntgenundersøgelsen viser, at hvis man blander et stort antal nanopartikler i det materiale, der bruges til at lave solcellen, du ændrer dens struktur", forklarer medforfatter Dr. Stephan Roth, leder af DESYs strålelinje P03 ved PETRA III, hvor forsøgene blev udført. "Den solcelle, vi så på, vil tolerere dopingniveauer for magnetitnanopartikler på op til en masseprocent uden at ændre deres struktur."

Forskerne observerede den største effekt, da de dopede substratet med 0,6 vægtprocent nanopartikler. Det fik effektiviteten af ​​den undersøgte polymersolcelle til at stige fra 3,05 til 3,37 pct. "En stigning på 11 procent i energiudbytte kan være afgørende for at gøre et materiale økonomisk rentabelt til en bestemt anvendelse, " understreger Müller-Buschbaum.

Forskerne mener, at det også vil være muligt at øge effektiviteten af ​​andre polymersolceller ved at dope dem med nanopartikler. "Kombinationen af ​​højtydende polymerer med nanopartikler har løftet om yderligere stigninger i effektiviteten af ​​organiske solceller i fremtiden. uden en detaljeret undersøgelse, som ved hjælp af røntgenstråler udsendt af en synkrotron, det ville være umuligt at opnå en grundlæggende forståelse af de underliggende processer, der er involveret, " slutter Müller-Buschbaum.