Insikt om energiförluster som påverkar omvandlingen av ljus till elektricitet skulle kunna bidra till att öka effektiviteten hos organiska solceller. Ett KAUST-ledda team av organiska kemister, materialingenjörer, spektroskopister och teoretiska fysiker från sex forskargrupper har utförligt utvärderat effektivitetsbegränsande processer i organiska solcellssystem.

För att skörda ljus, banbrytande organiska solceller förlitar sig på bulk heterojunctions, blandningar av ljuskänsliga elektrondonator- och acceptormaterial. När ljus träffar heteroövergången, de resulterande exciterade tillstånden är par av elektroner och positivt laddade hål som måste separeras för att skapa elektrisk ström. Under laddningsseparering, donatorn ger elektroner till acceptorn, och acceptorn överför hål till donatorn. Därför, solcellernas effektivitet beror på två nyckelfaktorer:elektronaffinitetsförskjutningen mellan dessa material, vilket motsvarar acceptorns förmåga att få en elektron och driver elektronöverföring; och joniseringsenergins offset, som representerar givarens benägenhet att frigöra en elektron, underlätta överföring av hål.

Nonfullerenacceptorer (NFA) har nyligen gett solceller med omvandlingseffektivitet på nära 20 procent, överträffade fullerenbaserade acceptorer som tidigare dominerat. "Nyckeln till dessa rekordeffektiviteter är designen och syntesen av material som kombinerar effektiv laddningsgenerering med minimala energiförluster, " förklarar teamledaren Frédéric Laquai. "Men, den exakta rollen för energikompensationerna och deras relaterade processer är oklart, vilket har stoppat utvecklingen av designregler för NFA-baserade system", tillägger han.

För att ta itu med detta, det multidisciplinära teamet utarbetade ett tillvägagångssätt för att övervaka de fotofysiska processer som påverkar laddningsgenereringen i 23 olika NFA-baserade system. "Med vår samarbetspartner, Denis Andrienko från Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, vi utvecklade en kortfattad modell som gjorde det möjligt för oss att korrelera våra experimentella observationer till fysikaliska parametrar och kemiska strukturer, " säger forskare, Julien Gorenflot.

Forskarna upptäckte att i motsats till de senaste rapporterna, avsevärda joniseringsenergikompensationer behövdes för att generera laddningar. I kontrast, elektronaffinitetsoffset misslyckades med att inducera laddningsseparation oavsett deras storlek. Dessa oväntade fynd är resultatet av en process som kallas Förster resonansenergiöverföring, som verkar konkurrera med elektronöverföring. Postdoc Catherine De Castro förklarar att "detta är en omedelbar konsekvens av designprincipen för blandningarna, där givare och acceptor uppvisar överlappande emission och absorption, som underlättar energiöverföringen."

Teamet planerar att designa nya material som kombinerar förbättrad laddningsgenereringseffektivitet med lägre energiförluster. "Detta kommer att bidra till att minska effektivitetsgapet till andra framväxande solcellstekniker och föra organiska solceller närmare mognad och tillämpning, " säger Gorenflot.

Studien publiceras i Naturmaterial .