Forskare vid TU Dresden och Hasselt University i Belgien undersökte de fysiska orsakerna som begränsar effektiviteten hos nya solceller baserade på organiska molekylära material. För närvarande, spänningen hos sådana celler är fortfarande för låg - en anledning till deras fortfarande relativt låga effektivitet.

I deras studie, genom att undersöka molekylernas vibrationer i de tunna filmerna, forskarna kunde visa att mycket grundläggande kvanteffekter, så kallade nollpunktsvibrationer, kan ge ett betydande bidrag till spänningsförluster. Studien har nu publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Solceller är en kristalliseringspunkt med stora förhoppningar om den nödvändiga omvandlingen av den globala energiproduktionen. Organisk solceller (OPV), som är baserad på ekologiskt, dvs. kolbaserade material, kan vara idealiskt för att bli en viktig pelare i energiblandningen av "förnybara energikällor" eftersom de har en bättre ekologisk balansräkning jämfört med konventionella kiselbaserade moduler och endast en liten mängd material krävs för att producera de tunna filmerna. Dock, ytterligare effektivisering är nödvändig. Den är baserad på olika karaktäristiska värden såsom öppen kretsspänning, vars för låga värden för närvarande är en huvudorsak till fortfarande ganska måttliga effektiviteter av OPV.

Studien undersökte fysiska orsaker till detta - inklusive molekylernas vibrationer i de tunna filmerna. Det visades att de så kallade nollpunktsvibrationerna-en effekt av kvantfysik som kännetecknar rörelsen vid absolut temperatur noll-kan ha ett betydande inflytande på spänningsförluster. Ett direkt samband mellan molekylära egenskaper och makroskopiska anordningsegenskaper demonstrerades. Resultaten ger viktig information för vidare utveckling och förbättring av nya organiska material.

Lågenergikanten för optiska absorptionsspektra är avgörande för prestanda hos solceller, men när det gäller organiska solceller med många påverkande faktorer är det ännu inte väl förstått. I föreliggande studie, absorptionsbandens mikroskopiska ursprung i molekylära blandningssystem och deras roll i organiska solceller undersöktes. Fokus låg på temperaturberoende av absorptionskarakteristika, som undersöktes teoretiskt med hänsyn till molekylära vibrationer. Simuleringarna matchade mycket bra med de experimentellt uppmätta absorptionsspektra som leder till ett antal viktiga fynd.

Författarna upptäckte att nollpunktsvibrationerna, medierad av elektron-fonon-interaktion, orsakar en avsevärd absorptionsbandbredd. Detta leder till återutsläpp av en del av energin som är oanvänd och minskar därmed öppen kretsspänning. Dessa spänningsförluster kan nu förutses från elektroniska och vibroniska molekylära parametrar. Det som är ovanligt är att denna effekt är stark även vid rumstemperatur och kan avsevärt minska effektiviteten hos den organiska solcellen. Vilka strategier för att minska dessa vibrationsinducerade spänningsförluster som kan tillämpas diskuteras av författarna för ett större antal system och olika heterojunktionsgeometrier.