Ett billigt material, tillverkad av volframdisulfidflingor bara några atomer tjocka, har bidragit till att förbättra prestanda för organiska solceller1. Upptäckten av KAUST -forskare kan vara ett viktigt steg mot att föra dessa fotovoltaiska celler till större användning för att generera ren el.

De flesta solceller använder kisel för att absorbera ljus och omvandla dess energi till elektricitet. Men kolbaserade halvledarmolekyler, används i organisk fotovoltaik (OPV), erbjuder några tydliga fördelar jämfört med kisel. OPV tenderar att vara flexibla, till exempel, vilket innebär att de kan tillverkas i stor skala med hjälp av billiga roll-to-roll-utskrifter. Men de bästa OPV:erna omvandlar cirka 16-17 procent av ljuset som de fångar till elektrisk kraft, långt ifrån kommersiella kiselceller som överstiger 20 procent.

Thomas D. Anthopoulos, och kollegor på KAUST Solar Center, har uppskattat att OPV kan konkurrera med den prestandan om vissa delar av cellen förbättrades2. När ljuset träffar halvledaren, det frigör elektroner från materialet och lämnar positivt laddade hål. Elektroner och hål samlas upp av olika lager på halvledarens motsatta sidor och levereras till cellens elektroder för att generera en ström. Den ledande håltransportören är en polymer som heter PEDOT:PSS, men det är surt och absorberar fukt från luften, som bryter ner andra material i solcellen.

Anthopoulos tvärvetenskapliga team har nu utvecklat ett håltransporterande lager av flingor av ett 2-D-material, volfram disulfid. Forskarna använde ultraljud för att riva flingorna av pulveriserad volframdisulfid suspenderad i en blandning av vatten och etanol. Denna ultraljudsmetod är billig och lätt att skala upp, och flingorna kan spridas på en elektrod med hjälp av en enkel och allmänt använd spinnbeläggningsprocess.

Teamet tillverkade flera OPV på detta sätt, och de bästa hade en effektomvandlingseffektivitet på 17 procent, vilket är det högsta för någon OPV som använder ett 2-D-material som håltransportör och bland de högsta för någon OPV. "Vi blev mycket förvånade över att nå 17 procent, "säger Yuanbao Lin, en doktorsexamen student i laget. "Vi känner att detta bara är början och det finns betydande utrymme för prestationsförbättringar."

Teamet fann att volframdisulfidskiktet har ett lägre motstånd än PEDOT:PSS och är också bättre på att samla hål än sin rival, vilket leder till förbättrad prestanda. "Vårt omedelbara mål är att driva effektiviteten hos våra organiska solceller långt över 17 procent och mot våra teoretiskt förutsagda gränser, "säger Anthopoulos." Vi strävar också efter att studera stabiliteten hos dessa högeffektiva organiska solceller. "