Simuleringar avslöjar effektivitetsmål och designregler för att maximera omvandlingen av ljus till elektricitet med hjälp av organiska solceller.

Organiska solceller kan snart konkurrera med traditionell kiselbaserad solcellsteknik när det gäller konverteringseffektivitet. Ett team från KAUST Solar Center har utvecklat en beräkningsmetod som ger praktiska prestandamål och användbara regler för att hjälpa till att designa och utveckla materialsystem för optimala organiska solceller.

De flesta solpaneler är beroende av oorganiska halvledare för att skörda och omvandla solljus till elektricitet. Organiska fotovoltaiska material, dock, har framstått som lätta, billiga alternativ. Dessa material är lätta att trimma och bearbeta i stor skala, vilket gör dem tilltalande för industriell produktion och kommersialisering.

Toppmoderna organiska solceller förlitar sig på bulkheteroövergångar, som kombinerar ljuskänsliga elektrondonator- och acceptormaterial för att bilda ett aktivt skikt. Exponering för solljus skapar ett exciterat tillstånd som genererar elektronpar och positivt laddade hål, som är ansvariga för elektrisk ström. Dessa laddningsbärare måste hållas isär, som förlitar sig på elektrondonator- och acceptormaterial.

Fullerenbaserade acceptormaterial har gett organiska solceller med oöverträffad omvandlingseffektivitet i nästan två decennier. Ändå har dessa material flera nackdelar, såsom höga spänningsförluster och dålig absorption av solspektrumet, som har begränsat effektiviteten till 11 procent. Under tiden, icke-fulleren-alternativ har nyligen överträffat alla befintliga fulleren-baserade celler, dock, en bristande förståelse för de element som styr omvandlingseffektiviteten för dessa celler har begränsat ytterligare förbättringar av cellprestanda.

Thomas Anthopoulos och hans medarbetare använde datorsimuleringar för att bedöma inverkan av flera nyckelparametrar, inklusive absorption och tjocklek av det aktiva lagret, laddningsbärares mobilitet och laddningsrekombinationshastighet, på prestandan hos organiska solceller som inte är fulleren.

Postdoktor Yuliar Firdaus förklarar att simuleringarna explicit behandlar effekten av dessa parametrar. Därför, den beräknade celleffektivitetsgränsen liknar den effektivitet som icke-fullerenbaserade celler realistiskt kan uppnå med fortsatt materialförbättring.

Forskarna fann att icke-fullerenbaserade celler kunde uppnå effektivitet som överstiger 18 procent, även med den lättillgängliga laddningsmobiliteten i befintliga materialsystem. Verkningsgraden kan till och med överstiga 20 procent med hög och balanserad elektron- och hålmobilitet förknippad med låga rekombinationshastighetskonstanter. "Jag är övertygad om att de icke-fullerenbaserade cellerna snart kommer att nå dessa beräknade effektivitetsgränser, " säger Firdaus.

"Vi arbetar för närvarande på olika fronter, som att utveckla nya gränssnittsskikt och dopningsformuleringar, samtidigt som samma primära mål bibehålls:att driva effektiviteten hos organiska solceller närmare de praktiska gränserna som identifierats i vår studie, " säger Firdaus.