Organiska solceller är gjorda av billiga och rikliga material, men deras effektivitet och stabilitet ligger fortfarande efter kiselbaserade solceller. Ett kinesiskt-tyskt team av forskare har hittat ett sätt att förbättra den elektriska ledningsförmågan hos organiska solceller, vilket ökar deras prestationer. Doping av metalloxidmellanskiktet, som kopplade ihop elektroden och det aktiva lagret, med ett modifierat organiskt färgämne ökade både effektiviteten och stabiliteten, studien publicerad i tidskriften Angewandte Chemie avslöjat.

Organiska solceller omvandlar ljus till elektrisk ström. Hjärtat i cellerna är det aktiva organiska skiktet av specialdesignade organiska molekyler. Här, elektroner och hål, de positiva motsvarigheterna till elektronerna, genereras av ljus och går till elektroderna för att bilda den elektriska strömmen. Ett återkommande problem inom organisk solcellsdesign är matchningen av materialtyperna. Elektroderna är gjorda av oorganiska material, men det aktiva skiktet är organiskt. För att förena de två materialen, metalloxidmellanskikt införs i många organiska celltyper. Men i de flesta mönster, de resulterande konduktiviteterna är inte optimala.

Frank Würthner vid universitetet i Würzburg, Tyskland, och Zengqi Xie vid South China University of Technology (SCUT), Guangzhou, Kina, undersökte idén att göra ett zinkoxidmellanskikt något mer organiskt och fotokonduktivt för att minska kontaktmotståndet när det bestrålas med solljus. Forskarna förberedde ett organiskt färgämne på ett sådant sätt att det bildade stabila komplex med zinkjonerna i zinkoxidskiktet. Under solljus, detta modifierade färgämne som kallas hydroxi-PBI skulle sedan injicera elektroner i zinkoxidmellanskiktet, vilket skulle öka dess ledningsförmåga.

Forskarna satte sedan ihop den organiska solcellen, som bestod av en indiumtennoxidglaselektrod (ITO), zinkoxidskiktet dopat med hydroxi-PBI-färgämnet, det aktiva skiktet gjort av en polymer som elektrondonator och en organisk molekyl som acceptor, ett annat metalloxidmellanskikt, och en aluminiumelektrod som den positiva elektroden. Denna arkitektur, som kallas en inverterad bulk heterojunction cell, är den för en toppmodern organisk solcell, som uppnår en maximal effektkonverteringseffektivitet på 15 procent.

Mellanskiktsdopingen var fördelaktig på flera sätt. Beroende på färgämnet – forskarna kontrollerade prestandan hos flera färgämnen med lite olika struktur – uppnåddes en omvandlingseffektivitet på nästan 16 procent. Och det färgdopade zinkoxidmellanskiktet verkade också vara mer stabilt än ett utan dopning. Författarna sa att det var viktigt att PBI-färgämnet modifierades till sin hydroxi-PBI-form, vilket gav upphov till täta komplex med zinkjonerna. Först då kunde en oorganisk-organisk hybridstruktur utvecklas för att bilda en god kontakt med de aktiva materialen.