Även om det finns en växande marknad för organiska solceller - de innehåller material som är billigare, rikligare, och mer miljövänliga än de som används i typiska solpaneler - de tenderar också att vara mindre effektiva vid omvandling av solljus till el än konventionella solceller.

Nu, forskare som är medlemmar i Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), ett nytt energimaterialrelaterat vetenskapscenter baserat på Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har löst ett mysterium som kan leda till effektivitetsvinster.

De identifierade källan till en ultrasnabb och effektiv process som ger flera bärare av elektrisk laddning från en enda ljuspartikel i organiska kristaller som är en integrerad del av denna alltmer populära form av solceller.

Denna process - kallad "singlet fission" eftersom den liknar splittring av atomkärnor i kärnklyvning för att skapa två lättare atomer från en tyngre - lovar att dramatiskt öka effektiviteten hos organiska solceller genom att snabbt omvandla mer av solljusets energi till elektriska laddningar istället för att tappa den till värme.

Forskargruppen hittade en ny mekanism som förklarar hur denna reaktion kan inträffa på bara tiotals femtosekunder (kvadriljondelar av en sekund), innan andra konkurrerande effekter kan stjäla bort sin energi. Deras studie publicerades den 29 december i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"Vi upptäckte faktiskt en ny mekanism som gör att vi kan försöka designa bättre material, "sa Steven G. Louie, direktör för C2SEPEM, ett center som stöds av DOE som inkluderar forskare från Berkeley Lab; University of California, Los Angeles; University of Texas i Austin; och Georgia Institute of Technology.

Louie, en av ledarna för studien, är också senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i fysik vid UC Berkeley. C2SEPEM fokuserar på att utveckla teorier, metoder, och programvara för att förklara komplexa processer i energirelaterade material.

I delningsprocessen, en sammansatt partikel bestående av en elektron, som har en negativ laddning, och dess partnerhål - en ledig elektronposition i ett materials atomstruktur som beter sig som en partikel när den bär en positiv laddning - omvandlas snabbt till två elektronhålspar. Detta fördubblar den laddningsbärande potentialen i materialet samtidigt som man undviker förlust av energi som värme.

"Det finns mycket vi fortfarande inte förstår om den grundläggande fysiken för denna process i kristallina material som vi hoppas kunna belysa mer, "sa Jeffrey B. Neaton, associerad direktör för C2SEPEM, som ledde studien tillsammans med Louie.

Neaton är också Associate Laboratory Director for Energy Sciences på Berkeley Lab, direktören för Berkeley Labs Molecular Foundry, och en fysikprofessor vid UC Berkeley. "Beräkningsmetoden som vi utvecklat är mycket förutsägbar, och vi använde den för att förstå singlet fission på ett nytt sätt som kan tillåta oss att designa material ännu effektivare för att skörda ljus, till exempel."

Louie noterade att många tidigare ansträngningar hade fokuserat på bara några få molekyler i materialet - i det här fallet, den kristalliserade formen av pentacen, som består av väte och kol - för att lära sig om dessa exotiska effekter. Men sådana tillvägagångssätt kan ha förenklat effekterna som driver singlet fission.

"Det har varit många teoretiska ansträngningar för att försöka förstå vad som händer, " han sa.

I denna senaste studie, forskargruppen började med en storskalig bild av den kristalliserade pentacenens övergripande struktur, och i synnerhet dess symmetri - de upprepande mönstren i dess atomära ramverk.

"Det är som att försöka förklara havet genom att antingen titta på det molekyl för molekyl, eller tittar på en hel våg, "sa Felipe H. da Jornada, en medförfattare till studien med Sivan Refaely-Abramson. Båda är postdoktorala forskare vid Berkeley Lab och UC Berkeley och är också anslutna till C2SEPEM.

"Vårt tillvägagångssätt fångar direkt hela kristallen, "oavsett storlek, noterade han.

Teamet använde beräkningar som utförts delvis på Berkeley Labs Molecular Foundry, och superdatorresurser vid Labs National Energy Research Scientific Computing Center för att utveckla, modell, och testa deras nya teorier om klyvningsprocessen.

"Vi tror att dessa teorier också kan tillämpas på mycket olika material, "sa Refaely-Abramson, "och i den meningen, teori är mycket viktigt. "Tidigare experiment hade missat några av de viktiga ledtrådarna om kristallstrukturens roll i singlet fission -mekanismen.

Studien drar slutsatsen att för att effektivt fördubbla dessa elektronhålspar, det provtagna materialet ska visa en specifik typ av symmetri, eller upprepade kombinationer av molekyler, inom sin kristallstruktur - precis som ett rums golv kan visa en mängd enkla, upprepa mönster med samma brickor.

Effektiviteten av singlet -klyvningsprocessen verkar bero starkt på antalet molekyler packade i varje upprepande mönster eller "motiv" i kristallen, och på en viss typ av symmetri i vilken det finns en 180-graders rotation och spegling av dessa motiv. Detta förhållande mellan symmetri och effektivitet, fann forskarna, tillåter dem att göra kraftfulla förutsägelser om effektiviteten hos den totala klyvningen.

Dessa förutsägelser kan bara vara möjliga, fastän, om elektronhålsparen i provet beter sig som vågliknande föremål som rör sig genom hela kristallen som vågor i ett hav. Detta tillvägagångssätt gav dem också ny insikt om delningsprocessen, och hur de nyskapade paren måste bete sig som vågor som sprider sig i motsatta riktningar.

Det finns fortfarande flera steg som måste utarbetas för att göra dessa resultat mer relevanta för verkliga applikationer, forskarna noterade. I solceller, till exempel, elektroner måste effektivt frigöras från deras parning med hål för att skörda sin energi och förbättra solpanelens prestanda.

Att förstå fördubblingen av laddningsbärare i ett material kan hjälpa forskare att bättre förklara och konstruera omvända processer, också - till exempel tekniken som används i vissa mobiltelefonskärmar som minskar antalet laddningsbärare (en process som kallas triplet fusion), sa Neaton.

Louie noterade att det tvärvetenskapliga teamet som samlades för studien, en viktig aspekt av C2SEPEM -centret, var en integrerad del av att införa nytänkande för att hantera ett decennier gammalt problem.

"Detta är ett av de första viktiga ämnena som vi kunde ta upp, och nu har det blivit verklighet, " han sa.