Organiska solceller har uppnått anmärkningsvärt hög verkningsgrad, men att hitta optimala kombinationer av material för högpresterande organiska solceller, som också är ekonomiskt konkurrenskraftiga, fortfarande utgör en utmaning. Forskare från USA och Kina har nu utvecklat ett innovativt mellanskiktsmaterial för att förbättra enhetens stabilitet och elektrodprestanda. I journalen Angewandte Chemie , författarna beskriver sina fullerenspikade, lätt bearbetbar jonenpolymer, vilket ökar energiomvandlingseffektiviteten hos organiska solceller.

Till skillnad från vanliga kiselbaserade solceller, organiska solceller (OPV) involverar organiska molekyler i solenergiproduktion. Material i OPV är rikligt och kan bearbetas, billig och lätt, och modulerna kan göras flexibla och med inställbara egenskaper. Den stora nackdelen med sådana material är att för att uppnå lång livslängd och hög prestanda krävs utarbetade inställningar och arkitekturer. Optimerade kombinationer av material som matchar elektroderna förblir svårfångade.

Silver- eller guldmetaller bildar luftstabila, bearbetningsbara katoder, men de sänker också enhetens potential. För att övervinna detta problem, Yao Lui vid Beijing University of Chemical Technology (Kina), och Thomas Russell och Todd Emrick vid University of Massachusetts, Amherst (USA), och deras forskargrupper, har utvecklat ett nytt polymermaterial för att fungera som ett mellanskikt mellan elektroden och det aktiva skiktet. Detta mellanskikt måste vara ledande och måste sänka katodens arbetsfunktion genom att tillhandahålla en gränssnittsdipol.

Som ett mellanskiktsmaterial, forskarna undersökte en ny klass av laddade polymerer, jonenpolymererna. "Jonenpolymerer är polykatjoner där de laddade delarna är placerade i polymerens ryggrad snarare än som vidhängande grupper, " förklarar författarna. Detta leder till en högre laddningsfördelning än i konventionella katjoniska polymerer, och dessutom, bättre avstämning. Jonenpolymerer ger en användbar gränssnittsdipol, men ensam, de saknar den erforderliga konduktiviteten.

Därför, författarna inkluderade fullerener i polymerskiktets strukturella ram. Så kallade "bucky balls" - fullerensfärer gjorda enbart av kol - används redan som vanliga acceptormolekyler i OPV-enheter. De är mycket ledande och har många andra gynnsamma egenskaper.

Forskarna förberedde fulleren-ionen-mellanskiktsmaterialet genom att förnya sig på konventionell stegtillväxtpolymerisationskemi med ny, funktionella monomerer. De satte ihop OPV-enheterna och inkluderade ett mellanskikt. Resultatet var en imponerande ökning av effektkonverteringseffektiviteten – i genomsnitt tre gånger – jämfört med enheter utan mellanskikt. Effektiviteter på över 10 % pekar på ytterligare användbarhet av dessa modulära enheter.

Detta arbete visar att en relativt enkel modifiering av materialsammansättningen kan förbättra effektiviteten i organisk elektronik och kan övervinna inneboende problem relaterade till kombinationen av hårda (elektroder) och mjuka (aktiva skikt) material.