Forskare vid Purdue University har identifierat mekanismen som gör att organiska solceller kan skapa en laddning, lösa ett mångårigt pussel i fysik, enligt en tidning som publicerades fredagen (12 januari) i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Organiska solceller är byggda med mjuka molekyler, medan oorganiska solceller, ofta kiselbaserad, är byggda med styvare material. Kiselceller dominerar för närvarande branschen, men de är dyra och styva, medan organiska celler har potential att vara lätta, smidigt och billigt. Nackdelen är att det är mycket svårare att skapa en elektrisk ström i organiska celler.

För att skapa en elektrisk ström, två partiklar, en med negativ laddning (elektron) och en med positiv laddning (elektronhål), måste separera trots att de är hårt sammanbundna. Dessa två partiklar, som tillsammans bildar en exciton, kräver vanligtvis ett konstgjort gränssnitt för att separera dem. Gränssnittet drar elektronen genom en elektronacceptor och lämnar hålet bakom sig. Även med gränssnittet på plats, elektronen och hålet attraheras fortfarande av varandra – det finns en annan mekanism som hjälper dem att separera.

"Vi upptäckte att den här typen av elektron-hålgränssnitt inte är ett enda statiskt tillstånd. Elektronen och hålet kan vara långt ifrån varandra eller nära varandra, och ju längre ifrån varandra de är, desto mer sannolikt är det att de skiljer sig, sa Libai Huang, en biträdande professor i kemi vid Purdue's College of Science, som ledde forskningen. "När de är långt ifrån varandra, de är faktiskt väldigt mobila, och de kan röra sig ganska snabbt. Vi tror att den här typen av snabba rörelser mellan den positiva och negativa laddningen är det som driver separationen vid dessa gränssnitt."

Organiska solceller är svåra att studera eftersom de är röriga – de ser ut som en skål med spagetti, sa Huang. Det finns många gränssnitt att titta på och de är väldigt små.

"Det är verkligen svårt att göra optisk spektroskopi i den längdskalan. Dessa tillstånd lever inte heller särskilt länge, så du behöver en tidsupplösning som är väldigt kort, ", sa Huang. "Vi utvecklade det här verktyget som kallas ultrasnabb mikroskopi där vi kombinerar tid och rumslig upplösning för att i princip titta på processer som sker på snabba tidsskalor i mycket små saker."

Även då, den rumsliga upplösningen är inte tillräckligt bra, så Huangs labb skapade en stor, tvådimensionellt gränssnitt för att skapa ordning i det kaotiska arrangemanget av molekyler. Lösningen på problemet är tvådelad, sa hon:ultrasnabb mikroskopi och gränssnittet.

Att veta hur excitoner separeras kan hjälpa forskare att designa nya gränssnitt för organiska solceller. Det kan också betyda att det finns material att bygga solceller med som ännu inte har utnyttjats, sa Huang.