Fysiker vid Paderborn University har använt komplexa datorsimuleringar för att utveckla en ny design för betydligt effektivare solceller än vad som tidigare fanns tillgängligt. Ett tunt lager av organiskt material, känt som tetracen, är ansvarigt för ökad effektivitet. Resultaten har nu publicerats i Physical Review Letters.
"Den årliga energin av solstrålning på jorden uppgår till över en biljon kilowattimmar och överstiger därmed det globala energibehovet med mer än 5 000 gånger. Solceller, det vill säga generering av elektricitet från solljus, erbjuder därför en stor och fortfarande i stort sett outnyttjad potential för Försörjningen av ren och förnybar energi Silicon solceller som används för detta ändamål dominerar för närvarande marknaden, men har effektivitetsgränser, förklarar prof Dr. Wolf Gero Schmidt, fysiker och dekanus för fakulteten för naturvetenskap vid Paderborn University. En anledning till detta är att en del av energin från kortvågsstrålning inte omvandlas till elektricitet, utan till oönskad värme.
Schmidt förklarar, "För att öka effektiviteten kan kiselsolcellen förses med ett organiskt skikt, till exempel tillverkat av halvledaren tetracen. Kortvågigt ljus absorberas i detta lager och omvandlas till högenergielektroniska excitationer, så Dessa excitoner sönderfaller i tetracen till två lågenergiexcitationer. Om dessa excitationer framgångsrikt kan överföras till kiselsolcellen, kan de effektivt omvandlas till elektricitet och öka det totala utbytet av användbar energi.>
Avgörande genombrott för snabb energiöverföring
Excitationsöverföringen av tetracen till kisel undersöks av Schmidts team med hjälp av komplexa datorsimuleringar vid Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), universitetets högpresterande datorcenter. Ett avgörande genombrott har nu uppnåtts:I en gemensam studie med Dr Marvin Krenz och Prof Dr Uwe Gerstmann, båda från Paderborn University, har forskarna visat att speciella defekter i form av omättade kemiska bindningar i gränsytan mellan tetracenet film och solcellen påskyndar dramatiskt excitonöverföringen.
Schmidt noterar, "Sådana defekter uppstår under desorptionen av väte och orsakar elektroniska gränssnittstillstånd med fluktuerande energi. Dessa fluktuationer transporterar de elektroniska excitationerna från tetracenen in i kislet som ett lyft."
Sådana "defekter" i solceller är faktiskt förknippade med energiförluster. Detta gör resultaten av trion av fysiker desto mer häpnadsväckande.
"När det gäller gränssnittet av kiseltetracen är defekterna väsentliga för den snabba energiöverföringen. Resultaten av våra datorsimuleringar är verkligen överraskande. De ger också exakta indikationer för utformningen av en ny typ av solcell med avsevärt ökad effektivitet, " säger Schmidt.
Mer information: Marvin Krenz et al, Defect-Assisted Exciton Transfer across the Tetracene-Si(111):H Interface, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076201 journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.132.076201
Tillhandahålls av Paderborn University 
