Att förstå hur partiklar färdas genom en enhet är avgörande för att förbättra effektiviteten hos solceller. Forskare från KAUST, arbeta med ett internationellt team av forskare, har nu utvecklat en uppsättning designriktlinjer för att förbättra prestandan hos molekylära material.

När ett paket ljus, eller foton, absorberas av en halvledare, det genererar ett par partiklar som kallas en exciton. En elektron är en del av detta par; den andra är dess positivt laddade motsvarighet, kallas ett hål. Excitoner är elektriskt neutrala, så det är omöjligt att sätta dem i rörelse genom att applicera ett elektriskt fält. Istället "hoppar" excitonerna genom en slumpmässig rörelse eller diffusion. Dissociationen av excitonerna till laddningar är nödvändig för att skapa en ström men är mycket osannolik i en organisk halvledare.

"Så typiskt, vi måste blanda två halvledare, en så kallad elektrondonator och en elektronacceptor, för att effektivt generera kostnadsfria avgifter, " förklarar Yuliar Firdaus. "Givator- och acceptormaterialet tränger in i varandra; att maximera excitondiffusionslängden – det avstånd som excitonen kan färdas innan den kombineras och försvinner – är avgörande för att optimera den organiska solcellens prestanda.

Många tidigare organiska solceller tillverkades genom att blanda en polymer med molekyler, känd som fullerener. Men på senare tid, ersättning av fulleren med andra organiska material, såsom icke-fulleren små molekyler, gav imponerande förbättringar i enhetens effektivitet.

Firdaus och kollegor kombinerade mätningar av fotoströmmen med ultrasnabb spektroskopi för att beräkna diffusionslängden för en mängd olika icke-fullerenmolekyler. De observerade mycket långa excitondiffusionslängder, i intervallet 20 till 47 nanometer – en förbättring av intervallet 5 till 10 nanometer som är karakteristiskt för fullerener.

För att bättre förstå denna förbättring, teamet jämförde data som beskriver den kristallografiska strukturen hos molekylerna med kvantkemiska beräkningar. På så sätt kunde de identifiera nyckelförhållanden mellan molekylens kemiska struktur och diffusionslängden. Med dessa förbindelser etablerade, forskarna utvecklade en uppsättning regler för att hjälpa till med syntesen av förbättrade material och, i sista hand, hjälpa designen av organiska solceller med förbättrad konverteringseffektivitet.

"Nästa, vi planerar att undersöka hur filmbearbetningsprocesser kan påverka excitonöverföringshastigheten för de befintliga småmolekylära acceptorerna, " säger Firdaus. "Vi är också intresserade av att översätta reglerna för molekylär design för att syntetisera nya acceptormaterial med bättre prestanda."