En elektronisk obalans i de materialpar som används för att tillverka organiska solceller kan förbättra celldriften, har KAUST-forskare visat. Det överraskande fyndet – publicerat i Avancerat material och gjorda efter en omfattande omanalys av state-of-the-art organiska solmaterial - bör göra det möjligt för forskare att förutsäga nya organiska formuleringar med stark solcellsprestanda.

Det ljusfångande lagret av organiska solceller består vanligtvis av en tvåkomponentsblandning som kallas en donator-acceptorblandning. I solljus kan den inkommande energin excitera elektroner att hoppa mellan olika energinivåer i blandningen, vilket tyder på att energinivåinriktningen mellan donatorn och acceptorkomponenten bör vara nyckeln till enhetens prestanda. Men olika forskargrupper har använt olika metoder för att mäta energinivåer och har producerat motsägelsefulla resultat om effekten av energinivåanpassning.

"Vi ville förstå ursprunget till denna motsägelsefulla förståelse", säger Anirudh Sharma, postdoktor vid Derya Barans labb, som ledde arbetet. "Detta motiverade oss att studera energinivåerna för organiska solcellsmaterial med hjälp av olika metoder för att etablera meningsfulla material-egendomsförhållanden", säger han.

Teamet bestämde energinivåerna för 33 organiska solmaterial med hjälp av fyra olika tekniker. "Våra fynd visar att energinivåerna för organiska halvledare mätt med fotoelektron och lågenergi invers fotoelektronspektroskopi nära korrelerar med egenskaperna hos solceller", säger Jules Bertrandie, en Ph.D. elev i Barans grupp. Han noterar att cyklisk voltammetri däremot gav missvisande resultat i samband med solcellsenerginivåer.

Efter att ha fastställt de bästa metoderna för mätningen, analyserade teamet energinivåanpassningen i 12 organiska solcellsblandningar från donator-acceptor. Resultaten visade - i motsats till nuvarande uppfattning - att blandningar med liten eller ingen skillnad i ett energinivåmått, känd som joniseringsenergin, var dåliga prestationer. De organiska solcellerna med bäst prestanda hade en signifikant skillnad i joniseringsenergi mellan donatorn och acceptorkomponenten i blandningen.

"Vi blev inte förvånade över att vårt förslag till en ny typ av energinivåmätning skulle vara mer tillförlitlig, men vi blev förvånade över att vår hypotes visade att det som är vanligt förekommande i litteraturen faktiskt inte är sant", säger Baran. "Denna metod har enorm potential att avslöja nya donator-acceptor-parsystem som skulle kunna fungera bra i organiska solceller och som också skulle lyfta fram vilka par som inte fungerar", tillägger hon.

Betydelsen av resultatet sträcker sig bortom solforskning, noterar Sharma. "Konsekvenserna av denna studie är relevanta för ett större område av organisk elektronik i allmänhet", säger han. + Utforska vidare

Kartläggning av hur energi flödar i organiska solceller