Forskare har tagit reda på varför nya typer av solmaterial är så bra på att skörda ljus - och har gett designregler för att göra dem bättre.

Detta öppnar möjligheten att designa flexibla solceller, som kan användas i byggnader och kläder.

Traditionella solpaneler är gjorda av hårda, kiselbaserade material som är effektiva men relativt dyra och inte särskilt anpassningsbara. Nya "organiska" solceller är istället mycket mer flexibla - både när det gäller hur de kan skräddarsys genom att anpassa kemin, och hur de kan böjas fysiskt.

Organiska solmaterial kan också produceras som bläck, vilket innebär att enheter baserade på dessa material kan massproduceras billigt genom sprutning eller utskrift.

Dock, organiska solceller är för närvarande inte lika effektiva vid omvandling av ljusenergi till elektricitet som vanliga kiselsolceller. Forskare har nyligen gjort framsteg med nya typer av organiska material, men de visste inte exakt hur de nya materialen kan nå dessa effektivitetsnivåer, hindrar dem från att göra dem ännu bättre.

Nu, i ny forskning som publicerades den här veckan i Naturmaterial , forskare från ett stort internationellt team, inklusive Imperial College London, har bestämt hur de nya materialen fungerar, och hur de kan förbättras ytterligare.

Okänd effektivitet
Dr Artem Bakulin, från Institutionen för kemi vid Imperial, sade:"Den lätta och flexibla karaktären hos organiska solceller innebär att de kan formas till vilken form vi vill. Det finns en stor potential för att organiska solceller kan integreras i byggnader och fordon, eller till och med införlivas i tygerna som vi bär. Billig, lätta solpaneler kan också enkelt transporteras och installeras i delar av världen utan ström. "

Forskare visste att det i organiska material fanns stora energiförluster, vilket betyder att de inte var effektiva vid omvandling av solenergi till elektricitet.

Detta beror på att en del av energin som kommer från ljuspartiklar (fotoner) måste användas för 'laddningsseparation'-för att hjälpa elektriska laddningar (så kallade 'elektroner' och 'hål') som skapas av fotoner att röra sig bort från varandra, så att de senare kan generera elektrisk ström.

I de allra flesta organiska solceller som utvecklats under de senaste 30 åren har minst 30 procent av energin som bärs av fotonerna går förlorad vid laddningsseparation. Under de senaste åren har dock en ny klass av organiska material har introducerats, allmänt känd som 'icke-fullerenacceptorer' (NFA).

NFA har bidragit till att minska avgifterna för avskiljning av avgifter nästan till hälften och ökat effektiviteten hos organiska solceller till cirka 14 procent. Detta är anmärkningsvärt, med tanke på att den teoretiska gränsen för effektivitet är cirka 30 procent, och de vanligaste kiselcellerna kan uppnå 25 procent i labbinställningar.

Nya regler för nytt material
I samarbete med sex andra grupper runt om i världen, Kejserliga forskare utvecklade och studerade en stor uppsättning effektiva NFA-baserade solceller och upptäckte en möjlig orsak bakom deras framgångsrika prestanda.

Med hjälp av avancerade ultrasnabba lasertekniker observerade de att i dessa enheter, elektronerna och hålen som är bundna och som inte kan generera ström går inte förlorade, men kan konvertera tillbaka till det ursprungliga upphetsade tillståndet med en energi som matchar fotonen som skapade dem. På det här sättet, energiförlusterna minskar och enhetens effektivitet kan nå rekordvärdena.

Med sin nya förståelse, laget formulerade också de viktigaste uppsättningarna regler som kan leda till ännu mer effektiva organiska solceller i framtiden.

Forskarna vid de sju forskningsinstituten i USA, Kina och Europa har tillsammans producerat runt ett dussin olika material, varav några har rapporterats tidigare och andra som är helt nya. De har använt dessa för att visa att de föreslagna reglerna överensstämmer med experimentella resultat, trots att några av reglerna störtade tidigare idéer.

Tom Hopper, från Institutionen för kemi vid Imperial, sade:"Fram till nu har utvecklingen av organiska solcellsmaterial mest skett genom ett syntetiskt försök-och-fel-tillvägagångssätt. Vi hoppas att de designregler som vi har lagt fram kommer att vara användbara för forskare som är intresserade av utvecklingen av effektiva organiska solceller . "