Organiska solceller har potential att bli en förnybar energikälla som är billig och snabb att rulla ut och skala upp. Fysiker vid University of Oxford har undersökt några av de vetenskapliga grunderna för hur dessa celler bildas och fungerar.

Solenergi står för närvarande för mindre än 2 % av elen som genereras över hela världen men kan ge ett stort bidrag till hållbarhet. Att uppnå skala innebär att den distribueras över en stor yta. "Vi behöver flera tusen kvadratkilometer för att göra ett inslag i världens energiförsörjning, så förmågan att skala upp snabbt och till låg kostnad är avgörande, "säger professor Moritz Riede, huvudforskaren för OSC Go och docent i mjuka funktionella nanomaterial vid Oxford. "Du skulle vilja kunna belägga kvadratkilometer med solceller på ett billigt och snabbt sätt."

De flesta kommersiellt tillgängliga solsystemen är baserade på oorganiska kiselhalvledare. Organisk, kolbaserade solceller kan erbjuda många fördelar-de är lätta och flexibla, kan komma i olika färger, och görs billigt, använder lågtemperaturprocesser. Tyvärr, för närvarande är de också mycket mindre effektiva vid omvandling av solljus till elektricitet än konventionella kiselbaserade system.

OSC Go -teamet har ägnat de senaste fyra åren åt att utforska några av de grundläggande frågorna om hur organiska solceller (OSC) görs för att förbättra deras prestanda.

Observera avsättning

Struktur-egendomsförhållanden har varit ett stort fokus för deras forskning eftersom arrangemanget av molekylerna inuti en organisk solcell kan ha stor inverkan på dess prestanda. Teamet tog fram sätt att använda ljus av olika våglängder-från röntgenstrålar till nära infrarött-för att undersöka hur molekylerna ordnar sig i tunna filmer. "Detta undersöks vanligtvis när det är fullt bildat, efter att processen är över, men vi kan titta på molekylerna under deponeringsprocessen, "säger professor Riede, "så att vi kan se hur molekylerna packas och vad vi kan göra för att manipulera deras arrangemang."

Med Fullerene C60, ett material som ofta används för att göra OSC, laget lyckades observera hur defekter kan bildas i dessa tunna filmer och till och med påverka resultatet. "Vi har observerat C-staplingsfel i en viss molekylär riktning, "säger professor Riede, "som gav oss en viktig datapunkt på den strukturella nivån för att tolka hur sådana enheter fungerar."

Stora förebilder

I en organisk solcell, solljus absorberas i de fotoaktiva skikten som vanligtvis består av en blandning av två material - elektrondonatorer och acceptormolekyler - där det omvandlas till elektricitet. OSC Go -forskarna ägnade tid åt att utvärdera prestanda för utspädda heterojunction solceller - sådana där donatorinnehållet är 5 % eller mindre.

"Dessa enheter visade sig fungera förvånansvärt bra, "säger professor Riede, "så vi har letat i rena C60-celler för att se hur molekylerna packar och hur de packar och fungerar i närvaro av andra molekyler. Dessa enheter är utmärkta modellsystem och vi försökte ansluta de mikrostrukturella resultaten till fotofysiska."

Effekten av förändringar i mikrostrukturen på enheternas prestanda var ett tredje studieområde. I samarbete med kemiföretaget Merck, teamet undersökte vad som händer när OSC -filmen utsätts för höga temperaturer eller utsätts för solljus under långa perioder, som de kommer att göra under driften. "Vi mätte förändringarna i mikrostrukturen med röntgenstrålar och andra metoder och kunde relatera dessa förändringar till förändringar i prestanda för OSC, "säger professor Riede, "så detta gör att vi kan leta efter sätt att hämma det."

En bättre förståelse av vad som händer på nanoskala kommer att vara mycket användbart när det gäller att välja vilka material som ska användas för att göra effektiva OSC, Prof. Riede tror.

"Det finns en uppsjö av material du kan använda och man kan justera materialen och förbättra deras prestanda genom smart kemisk design och bra tillverkningsförhållanden, " han säger, "men för att kunna göra det, du måste också kunna förstå det grundläggande. "