Solceller baserade på organiska molekyler erbjuder potentiella fördelar jämfört med konventionella enheter för att omvandla ljus till elektricitet. Dessa organiska solceller kan vara billiga, hållbara och lätta att göra. Organiska celler har dock ännu inte den prestanda som matchar konventionella enheter. Forskarnas ansträngningar att förbättra prestanda har begränsats av deras begränsade förståelse för hur elektroner som exciteras av ljus (eller "fotoexciterade") blir "fria bärare".

I princip flyter fria bärare över ett material och uppstår som en elektrisk ström. Tidigare vetenskapliga studier tyder på att fotoexcitation leder till ett tätt bundet par bestående av en elektron och ett hål. Dessa studier beskrev inte hur man kan övervinna de starka bindande krafterna för att bilda fria bärare. Denna nya studie avslöjar att fler platser på närliggande molekyler kan acceptera elektroner, vilket förklarar hur fria bärare bildas direkt.

Publicerad i Materials Horizons , utvecklade denna forskning en ny modell som heter Distribution Range Electron Transfer (DRET). Tidigare modeller för generering av fria bärare i organiska solceller har i allmänhet åberopat nya fysikaliska fenomen för att förklara experimentella resultat. I synnerhet har de sagt att gratisbärare kan bildas med effektivitet som närmar sig 100 % i ett material där motsatta avgifter traditionellt är svåra att separera och använda.

I denna nya studie föreslår forskare ett enklare alternativ med väletablerade koncept. De förlitar sig på en enkel modell av processer som överför elektroner i molekyler, känd som Marcus-teorin, en modell för vilken Rudy Marcus tilldelades ett Nobelpris 1992. Den nya DRET-modellen skulle kunna låsa upp nya vägar till effektiva organiska solceller.

Utvecklad av forskare från National Renewable Energy Laboratory (NREL), förklarar den nya modellen fri bärargenerering i organiska solceller med hjälp av etablerade koncept inklusive Marcus-teori för elektronöverföring, kombinerat med en övervägande av entropin som är associerad med laddningsöverföringsgränssnittet och möjlighet till långväga överföringsevenemang. Modellen visar att befintliga designregler för elektronöverföringsprocesser i lösningsfas kan tillämpas på organiska solcellssystem.

Dessa regler inkluderar för det första att drivkraften beräknas med hjälp av den välkända Gibbs energiterm. För det andra, att rollen av omorganisation energi identifieras. För det tredje identifieras faktorer som styr avståndsberoendet för den elektroniska kopplingen.

Modellen passar experimentella data som samlats in med hjälp av tidsupplösta mikrovågskonduktivitetsexperiment för att kartlägga de normala, optimala och inverterade regimerna för fri bärargenereringseffektivitet. Kvalitativ överensstämmelse med långa observerade beteenden i organiska solcellsapparater ger en enhetlig plattform för att förstå produkterna av fotoinducerad elektronöverföring i både lösnings- och fastfassystem. Integration av denna nya modell som effektivt fångar den diskreta molekylära naturen hos komponenterna som utgör den hierarkiska strukturen hos organiska solceller kan göra det möjligt för forskare att utveckla material för effektivare laddningsgenereringsprocesser. + Utforska vidare

Forskare observerar Marcus inverterade område för laddningsöverföring från lågdimensionella halvledarmaterial