Forskare vid Linköpings universitet har upptäckt ett kvantfenomen som påverkar bildandet av gratis laddningar i organiska solceller. "Om vi ​​riktigt kan förstå vad som händer, vi kan öka effektiviteten, säger Olle Inganäs, Professor Emeritus.

Doktoranden Qingzhen Bian fick oväntade resultat när han satte upp ett experiment för att optimera ett solcellsmaterial bestående av två ljusabsorberande polymerer och ett acceptormaterial. Olle Inganäs, professor emeritus vid avdelningen för biomolekylär och organisk elektronik bad honom att upprepa experimentet för att eliminera risken för mätfel. Gång på gång, och i experiment utförda både vid LiU och av kollegor i Lund, samma sak hände:en liten periodisk vågform som varade några hundra femtosekunder dök upp i signaturen från den optiska absorptionen som en fotoström som bildades i solcellsmaterialet. Vad var på gång?

Förklaringen har publicerats i Naturkommunikation .

Lite bakgrund:När ljus i form av fotoner absorberas i en halvledande polymer, en exciton bildas. Excitoner är bundna elektron-hålpar i polymeren. Elektronerna frigörs inte, och transport av avgifter, fotoströmmen, inte uppstår. När den elektrondonerande polymeren blandas med en molekyl som tar emot elektroner, elektronerna kan frigöras. Elektronerna behöver då bara ta ett litet hopp för att bli fria, och energiförlusten hålls till ett minimum. Hålen och elektronerna transporterar fotoströmmen och solcellen börjar producera elektricitet.

Detta har varit känt sedan länge. Dock, den anmärkningsvärda vågformen dök sedan upp i Qingzhen Bians experiment.

"Den enda tänkbara förklaringen är att det uppstår koherens mellan det exciterade systemet och de separerade laddningarna. Vi bad kvantkemisterna att undersöka detta och resultaten vi får i upprepade experiment stämmer väl överens med deras beräkningar, säger Olle Inganäs.

I kvantskalan, atomer vibrerar, och de vibrerar snabbare när de värms upp. Det är dessa vibrationer som interagerar med varandra på något sätt och med det exciterade elektronsystemet:vågornas faser följer varandra och ett tillstånd av koherens uppstår.

"Koherensen hjälper till att skapa laddningarna som ger fotoström, som sker i rumstemperatur. Men vi vet inte varför eller hur än, säger Olle Inganäs.

Samma kvantkoherens finns i den biologiska världen.

"En intensiv debatt pågår bland biofysikforskare om system som använder fotosyntes har lärt sig att utnyttja koherens eller inte. Jag finner det osannolikt att miljontals år av evolution inte har resulterat i att den naturliga världen utnyttjar fenomenet, säger Olle Inganäs.

"Om vi ​​förstod bättre hur laddningsbärarna bildas och hur processen styrs, vi borde kunna använda det för att öka effektiviteten hos organiska solceller. Vibrationerna beror på molekylens struktur, och om vi kan designa molekyler som bidrar till att öka fotoströmmen, vi kan också använda fenomenet till vår fördel, " han säger.