Organiska solceller har potential att omvandla solljus till elektrisk energi på ett ekonomiskt och miljövänligt sätt. Utmaningen är att de fortfarande fungerar mindre effektivt än oorganiska halvledare. Ultrasnabba mätningar på hybridceller visar nu en väg att fördubbla deras effektivitet.
Användningen av organiska solceller för produktion av el från solljus erbjuder en attraktiv och lovande grund för en innovativ och miljövänlig energiförsörjning. De kan tillverkas ganska ekonomiskt och, eftersom de är lika böjbara som plastfolie, de kan bearbetas flexibelt. Problemet är att de ändå är markant mindre effektiva än konventionella oorganiska halvledarceller. Den mest avgörande processen vid omvandlingen av ljus till elektrisk ström är genereringen av gratis laddningsbärare. I det första steget av fotokonvertering, vid absorption av ljus en komponent i den organiska solcellen, vanligtvis en polymer, släpper ut elektroner som tas upp av cellens andra komponent – i det här fallet kiselnanopartiklar – och kan sedan transporteras vidare.
"Mekanismerna och tidsskalan för laddningsseparation har varit föremål för kontroversiell vetenskaplig debatt i många år, " säger LMU fysikprofessor Eberhard Riedle. I samarbete med utredare vid tekniska universitetet i München och vid Bayreuth universitet, Riedle och hans grupp har nu kunnat dissekera processen i detalj. Att göra så, forskarna använde en ny hybridcellstyp som innehöll både organiska och oorganiska beståndsdelar, där kisel fungerar som elektronacceptor. Baserat på de insikter som erhållits med detta system, de utvecklade en bearbetningsstrategi för att förbättra polymerens strukturella ordning - och fann att detta förbättrar effektiviteten av laddningsseparationen i organiska halvledare med upp till två gånger. Deras resultat ger ett nytt sätt att optimera prestandan hos organiska solceller.
Nyckeln till detta genombrott ligger i en unik, laserbaserad experimentuppställning, som kombinerar extremt hög tidsupplösning på 40 femtosekunder (fs) med en mycket bredbandsdetektering. Detta gjorde det möjligt för teamet att följa de ultrasnabba processerna som induceras av fotonabsorption i realtid när de inträffar. Istället för de fullerener som används i typiska organiska celler, forskarna använde kisel som elektronacceptor, ett val som har två stora fördelar.
"Först, med dessa nya hybridsolceller, vi kunde undersöka de fotofysiska processerna som äger rum i polymeren med större precision än någonsin tidigare, och för det andra genom användningen av kisel, ett mycket större segment av solspektrumet kan utnyttjas för elektricitet, säger Riedle.
Det visar sig att gratis laddningsbärare – så kallade polaroner – inte genereras omedelbart vid fotoexcitation, men med en fördröjning på cirka 140 fs. Primär fotoexcitation av en polymermolekyl leder först till bildandet av ett exciterat tillstånd, kallas exciton. Detta dissocierar sedan, släpper ut en elektron, som sedan överförs till elektronacceptorn. Förlusten av elektroner lämnar efter sig positivt laddade "hål" i polymeren och, eftersom motsatt laddade enheter attraheras av varandra av Coulomb-styrkan, de två har en tendens att kombineras igen.
"För att få gratis avgiftsbärare, elektron och hål måste båda vara tillräckligt rörliga för att övervinna Coulomb-kraften, " förklarar Daniel Herrmann, den första författaren till den nya studien. Teamet kunde visa, för första gången, att detta är mycket lättare att uppnå i polymerer med en beställd, regelbunden struktur än med polymerer som är kaotiskt ordnade. Med andra ord, en hög grad av självorganisering av polymeren ökar avsevärt effektiviteten av laddningsseparationen.
"Polymeren som vi använde är en av få kända för att ha en tendens att självorganisera sig. Denna tendens kan hämmas, men man kan också öka polymerens inneboende benägenhet för självorganisering genom att välja lämpliga bearbetningsparametrar, " förklarar Herrmann. Genom att smart optimera bearbetningen av polymeren P3HT, forskarna lyckades fördubbla utbytet av gratis laddningsbärare – och därmed avsevärt förbättra effektiviteten hos deras experimentella solceller.
