Organiska solceller, tillverkad av kolbaserade material, har unika fördelar jämfört med andra solcellsteknologier. Till exempel, de kan tillverkas med lågkostnadstekniker, och de kan göras halvtransparenta med valbara färger, som kan användas arkitektoniskt i byggnadsintegration. Deras flexibilitet och låga vikt gör dem perfekta för att driva sensorerna för internet of things-applikationer.

En viktig utmaning för utvecklingen av organiska solceller är att de vanligtvis har stora energiförluster. Nu, 25 forskare från sju forskningsinstitut har tagit fram regler för design av högeffektiva organiska solceller. Forskningen leds av Feng Gao, docent vid Linköpings universitet, Sverige.

"Vi har formulerat några rationella designregler för att minimera energiförlusterna i organiska solceller. Efter dessa regler, vi presenterar en rad exempel med låga energiförluster och hög effektomvandlingseffektivitet, " säger Feng Gao, docent vid avdelningen för biomolekylär och organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Designreglerna, som utmanar några tidigare hållna idéer, har publicerats i en artikel i den prestigefyllda tidskriften Naturmaterial .

Genom att använda dessa designregler, organiska solceller lovar att komma ikapp sina konkurrenter när det gäller energiomvandlingseffektivitet, som mäter andelen av energin i solens strålning som omvandlas till elektricitet. Den teoretiska gränsen för andelen av solens energi som kan erhållas i solceller är cirka 33 procent. Laboratorieförsök med kiselbaserade solceller har uppnått 25 procent i bästa fall. Forskare har hittills trott att gränsen för organiska solceller är lägre.

"Men vi vet nu att det inte finns någon skillnad - den teoretiska gränsen är densamma för solceller tillverkade av kisel, perovskiter eller polymerer, säger Olle Inganas, professor i biomolekylär och organisk elektronik, Linköpings universitet.

När fotoner från solen absorberas av den halvledande polymeren i en solcell, elektroner i donatormaterialet höjs till ett exciterat tillstånd, och hål bildas i grundtillståndet till vilka elektronerna förblir attraherade. För att separera dessa bundna elektroner och hål, ett acceptormaterial läggs till. Dock, detta acceptormaterial resulterar vanligtvis i extra energiförluster, en fråga som har stört det organiska solcellssamhället i över två decennier.

Artikeln i Naturmaterial presenterar två grundläggande regler för att minimera energiförluster för högeffektiva organiska solceller:

• Minimera energiförskjutningen mellan donator- och acceptorkomponenter.
• Se till att komponenten med lågt gap i blandningen har en hög fotoluminescens.

Forskarna vid de sju forskningsinstituten i USA, Kina och Europa har tillsammans producerat ett dussintal material, varav några har rapporterats tidigare och andra som är helt nya. De har använt dessa för att visa att den nya teorin överensstämmer med experimentella resultat, även om det är något oförenligt med vad man tidigare trott.