Fysiker vid Rutgers University har upptäckt nya egenskaper i ett material som kan resultera i effektiva och billiga plastsolceller för föroreningsfri elproduktion.
Upptäckten, publiceras online och planeras för publicering i ett kommande nummer av tidskriften Naturmaterial , avslöjar att energibärande partiklar som genereras av ljuspaket kan färdas i storleksordningen tusen gånger längre i organiska (kolbaserade) halvledare än vad forskare tidigare observerat. Detta stärker forskarnas förhoppningar om att solceller baserade på denna spirande teknologi en dag kan gå om kiselsolceller i kostnad och prestanda, vilket ökar användbarheten av solelgenererad el som en alternativ energikälla till fossila bränslen.
"Organiska halvledare är lovande för solceller och andra användningsområden, som videoskärmar, eftersom de kan tillverkas i stora plastark, "sa Vitaly Podzorov, biträdande professor i fysik vid Rutgers. "Men deras begränsade fotovoltaiska konverteringseffektivitet har hållit dem tillbaka. Vi förväntar oss att vår upptäckt kommer att stimulera ytterligare utveckling och framsteg."
Podzorov och hans kollegor observerade att excitoner - partiklar som bildas när halvledande material absorberar fotoner, eller lätta partiklar – kan resa tusen gånger längre i en extremt ren organisk kristallhalvledare som kallas rubren. Tills nu, excitoner observerades vanligtvis förflytta sig mindre än 20 nanometer – miljarddels meter – i organiska halvledare.
"Det här är första gången vi observerade excitoner som migrerar några mikron, "sa Podzorov, noterar att de mätte diffusionslängder från två till åtta mikron, eller miljondelar av en meter. Detta liknar excitondiffusion i oorganiska solcellsmaterial som kisel och galliumarsenid.
"När excitondiffusionsavståndet blir jämförbart med ljusabsorptionslängden, du kan samla upp det mesta av solljuset för energiomvandling, " han sa.
Excitoner är partikelliknande enheter som består av en elektron och ett elektronhål (en positiv laddning som tillskrivs frånvaron av en elektron). De kan generera en fotospänning när de träffar en halvledargräns eller korsning, och elektronerna flyttar till ena sidan och hålen flyttar sig till andra sidan av korsningen. Om excitoner bara diffunderar tiotals nanometer, endast de närmast korsningarna eller gränserna genererar fotospänning. Detta står för den låga elektriska omvandlingseffektiviteten i dagens organiska solceller.
"Nu tappar vi 99 procent av solljuset, " noterade Podzorov.
Medan de extremt rena rubrenkristallerna tillverkade av Rutgers-fysikerna bara är lämpliga för laboratorieforskning för närvarande, forskningen visar att flaskhalsen för excitondiffusion inte är en inneboende begränsning för organiska halvledare. Fortsatt utveckling kan resultera i effektivare och mer tillverkningsbara material.
Forskarna upptäckte att excitoner i deras rubrenkristaller betedde sig mer som de excitoner som observerades i oorganiska kristaller - en delokaliserad form känd som Wannier-Mott, eller WM, excitoner. Forskare trodde tidigare att endast den mer lokaliserade formen av excitoner, kallade Frenkel excitoner, fanns i organiska halvledare. WM-excitoner rör sig snabbare genom kristallgitter, vilket resulterar i bättre optoelektroniska egenskaper.
Podzorov noterade att forskningen också producerade en ny metod för att mäta excitoner baserad på optisk spektroskopi. Eftersom excitoner inte laddas, de är svåra att mäta med konventionella metoder. Forskarna utvecklade en teknik som kallas polarisationsupplöst fotoströmspektroskopi, som dissocierar excitoner vid kristallens yta och avslöjar en stor fotoström. Tekniken bör vara tillämplig på andra material, Podzorov hävdar.
