Nästa generations solceller tillverkade av organiska föreningar har ett stort löfte för att möta framtida energibehov, men forskare strävar fortfarande efter att få en djup förståelse för de involverade materialen - inklusive effektiviteten med vilken de omvandlar ljus till mobil laddning, känd som fotokapacitans.
En Cornell -forskargrupp ledd av John Marohn, professor vid institutionen för kemi och kemisk biologi, har föreslagit en unik metod för registrering och mätning av ljusinducerad mobil laddning-vid nanoskala längder och nanosekund tidsskalor-på olika områden i ett heterogent solcellsmaterial.
Deras tillvägagångssätt innefattar en laddad mikrocantilever, som upplever en liten förändring i oscillationsfasen som ett resultat av interaktion med ett närliggande elektriskt laddat material. Marohn liknar tekniken med hur en klocka kan påverkas av en elektrisk laddning, där skillnaden inte kan ses i realtid men laddningens effekt är uppenbar när du jämför den klockan med en opåverkad.
"Klockorna går runt en gång i timmen, "Sa Marohn, "men en kommer att avancera något som ett resultat av interaktionen med laddningen. Och genom att jämföra de två klockorna, du kan se att den tog upp lite extra vinkel. "
Deras papper, "Mikrosekundfotokapacitans -transienter observerade med användning av en laddad mikrokantil som en grindad mekanisk integrator, "publicerades den 9 juni Vetenskapliga framsteg . Marohns medarbetare var doktorander Ryan Dwyer och Sarah Nathan, som delar huvudförfattarkrediter.
Gruppen har ansökt om patentskydd för den teknik som den utvecklat för detta arbete-fas-kick elektrisk kraftmikroskopi (pk-EFM)-med Cornells Center for Technology Licensing.
En av ineffektiviteten hos organiska solcellsmaterial som Marohn och hans grupp tar upp är rekombination. När solljus träffar materialet, det skapar fria laddningar (negativt laddade elektroner och positivt laddade hål) som förvandlas till elektrisk ström. Men inte alla dessa fria laddningar slipper cellen och förvandlas till ström; de som inte förvandlas till nuvarande rekombination, med biprodukten värme.
Möjligheten att "se" - eller mer exakt, åtgärd-laddningsgenerering och rekombination efter ett ljusskott var gruppens dragkraft bakom utvecklingen av pk-EFM. En ledande fribärare placeras nära en organisk halvledarfilm; en spänningspuls appliceras på cantilever, medan en noggrant tidsinställd ljuspuls appliceras på provet.
Utliggarens oscillationsfrekvens förskjuts något av de elektrostatiska interaktionerna med mobilladdningarna i provet. Dessa interaktioner resulterar i ett fasskifte, eller "fas kick" som gruppen kallar det. Denna fasförskjutning kvarstår under lång tid (nästan en sekund) och är därför relativt lätt att mäta exakt.
Forskarna studerar detta fasskifte som en funktion av nanosekundens tidsfördröjning mellan ljuspulserna och spänningspulserna. På det här sättet, forskarna kan indirekt utläsa vad som hände med laddningar på nanosekundens tidsskala utan att behöva observera avgiften direkt, i realtid.
"Det vi ville var ett sätt att se, i dessa små regioner där olika molekyler är koncentrerade, hur laddningarna rekombineras i provets olika regioner, "Sa Marohn." Vi försöker titta på saker som är både mycket snabba och väldigt små. "
Gruppens arbete försöker djupare undersöka fotokapaciteten hos organiska bulkmaterial som tidigare har undersökts med tidsupplöst elektrisk kraftmikroskopi. Framtida arbete kommer att fokusera på att få ännu bättre rumslig och tidsmässig upplösning i hopp om att slutligen avgöra vilken kombination av material som är optimal för effektiv solkraft.
"Solceller fungerar bra, och vi förstår inte riktigt hur de fungerar, "Sa Marohn." Det verkar som, om du verkligen förstod hur de fungerade, du kan göra dem mycket bättre. Och det här är ett sätt att försöka lista ut det. "
