Ett internationellt team av materialforskare från Frankrike, Ryssland och Kazakstan hittade ett sätt att öka effektiviteten hos organiska solceller flera gånger. Den nya studien, publiceras i Journal of Materials Chemistry A , har visat att ordnade strukturer baserade på organiska molekyler kan användas för att producera solenergi.

Solpaneler, eller batterier, är ett av de mest lovande sätten att generera elektrisk kraft. Från och med 2017, den sammanlagda effekten av solpaneler installerade över hela världen uppgick till 400 gigawatt. Solenergiindustrin upplever en snabb tillväxt, vilket beror på billigare och effektivare batterier.

Ett sätt att förbättra solenergisystem är att introducera nya material. De grundläggande elementen i en solpanel som omvandlar ljus till elektricitet är solceller, eller solceller. De är mestadels gjorda av polykisel - en mycket ren polykristallin form av kisel. Men forskare är upptagna med att leta efter alternativa material. Organiska polymerer med fotovoltaiska egenskaper är en av de främsta kandidaterna för att ersätta polykisel.

Ett team av forskare från Frankrike (Universitetet i Strasbourg, Universitetet i Lyon, Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse, Synchrotron SOLEIL), Ryssland (Moskva Institute of Physics and Technology, Moscow State University), och Kazakstan (Nazarbayev University) har beskrivit ett sätt att öka effektiviteten hos organiska solceller genom att införliva fluoratomer i polymeren. Denna process, känd som fluorering, har tidigare visat sig förbättra polymerens fotovoltaiska egenskaper, men mekanismen var dåligt förstått. Den nya studien klargör effekten av fluorering på celleffektivitet.

Genom att experimentera med olika polymermodifieringar, teamet ökade celleffektiviteten från 3,7 till 10,2 procent. Även om detta fortfarande inte stämmer överens med den kommersiella fotovoltaiken av kisel, den enorma effektivitetsvinsten tyder på att polymerbaserade celler är en teknik att räkna med. Kanske med ytterligare justeringar kan organiska solceller överträffa sina polykiselbaserade motsvarigheter.

Den generiska polymeren som användes i experimentet har en ganska komplex molekylstruktur. Den består av en kedja av upprepade enheter som visas i den vänstra delen av figur 1. Var och en av dem inkluderar svavelheterocykler – ringar gjorda av en svavel och fyra kolatomer – och kolvätesidokedjor med en grenad struktur.

Forskarna producerade ett antal modifieringar av denna polymer för att hitta vilken som har bättre solceller. De ändrade strukturen genom att lägga till fluoratomer (figur 1, höger) och variera längden på sidokedjorna. En polymerkonfiguration visade sig resultera i mycket överlägsna egenskaper. Nämligen, celleffektiviteten och strömutgången var flera gånger högre.

Teamet undersökte sedan den mikroskopiska strukturen av den bäst presterande föreningen. Röntgenanalys visade att polymerstapling var mer ordnad. Också, molekylerna kännetecknades av högre laddningsbärarrörlighet, vilket gör att materialet leder elektriciteten bättre. För en solcell, detta är helt klart en fördel.

Medförfattare till studien Professor Dimitri Ivanov påpekade de tekniska fördelarna med de organiska solcellerna. Han sa att de kan tillverkas i färre steg, jämfört med konventionella kiselsolceller. De ljusabsorberande polymererna kan även fungera som en tunn film, vilket innebär att solpanelerna inte behöver vara platta.

"Till exempel, du kan sätta ekologiska solbatterier på takpannor, " tillägger Ivanov, som leder Laboratory of Functional Organic and Hybrid Materials vid MIPT och är forskningschef vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning.

Enligt Ivanov, det som gjorde studien utmanande var "behovet av att optimera solcellseffektiviteten genom att välja rätt molekylära energinivåer för donatorn och acceptorn, samtidigt som man skapar den lämpliga supramolekylära strukturen som skulle underlätta laddningstransporten till elektroderna."