Varför är effektiva och prisvärda solceller så eftertraktade? Volym. Mängden solenergi som lyser upp jordens landmassa varje år är nästan 3, 000 gånger den totala mängden årlig mänsklig energianvändning. Men för att konkurrera med energi från fossila bränslen, solcellsapparater måste omvandla solljus till elektricitet med ett visst mått av effektivitet. För polymerbaserade organiska fotovoltaiska celler, som är mycket billigare att tillverka än kiselbaserade solceller, forskare har länge trott att nyckeln till hög effektivitet ligger i renheten hos polymerens/organiska cellens två domäner – acceptor och donator. Nu, dock, en alternativ och möjligen lättare väg framåt har visats.

Arbetar på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en främsta källa för röntgenstrålar och ultravioletta ljusstrålar för forskning, ett internationellt team av forskare fann att för högeffektiva polymer/organiska fotovoltaiska celler, storlek spelar roll.

"Vi har visat att orena domäner om de görs tillräckligt små också kan leda till förbättrade prestanda i polymerbaserade organiska solceller, säger Harald Ade, en fysiker vid North Carolina State University, som ledde denna forskning. "Det verkar finnas ett lyckligt medium, en sorts sweet spot, mellan renhet och domänstorlek som borde vara mycket lättare att uppnå än ultrahög renhet."

Ade, en långvarig användare av ALS, är motsvarande författare till en artikel som beskriver detta arbete i Avancerade energimaterial titeln "Absolut mätning av domänsammansättning och nanoskala storleksfördelning förklarar prestanda i PTB7:PC71 BM solceller." Medförfattare är Brian Collins, Zhe Li, John Tumbleston, Eliot Gann och Christopher McNeill.

Effektiviteten för omvandling av solceller i polymera/organiska fotovoltaiska celler beror på excitoner – elektron-/hålpar som drivs av solljus – som snabbt når gränssnitten mellan donator- och acceptordomänerna för att minimera energi som går förlorad som värme. Konventionell visdom ansåg att ju större domänernas renhet, ju färre impedanser och desto snabbare excitonresa.

Ade och hans medförfattare blev de första som samtidigt mätte domänstorleken, sammansättning och kristallinitet hos en organisk solcell. Denna bedrift möjliggjordes av ALS beamlines 11.0.1.2, en resonant mjuk röntgenspridning (R-SoXS) anläggning; 7.3.3, en ändstation med liten och vidvinkel röntgenspridning (SAXS/WAXS/); och 5.3.2, en slutstation för skanningstransmissionsröntgenmikroskopi (STXM).

säger Collins, den första författaren på Avancerade energimaterial papper, "Kombinationen av dessa tre ALS-strållinjer gjorde det möjligt för oss att erhålla heltäckande bilder av polymerbaserad organisk solcellsfilmmorfologi från nano- till mesoskala. Fram till nu, denna information har varit ouppnåelig."

Det internationella teamet använde trifecta av ALS-strålar för att studera polymer/fyllighetsblandningen PTB7:PC71BM i tunna filmer gjorda av klorbensenlösning med och utan tillsats (tre volymprocent) av lösningsmedlet dijodoktan. Filmerna var sammansatta av droppliknande dispersioner i vilka den dominerande acceptordomänstorleken utan tillsatsen var cirka 177 nanometer. Tillsatsen av lösningsmedlet krympte acceptordomänens storlek till cirka 34 nanometer samtidigt som filmens sammansättning och kristallinitet bibehölls. Detta resulterade i en effektivitetsvinst på 42 procent.

"När vi för första gången visar hur rena och hur stora acceptordomänerna i organiska solenergienheter faktiskt är, samt hur gränssnittet med donatordomänen ser ut, vi har visat att effekten av lösningsmedel och tillsatser på enhetens prestanda kan vara dramatisk och kan studeras systematiskt, " säger Ade. "I framtiden, vår teknik borde bidra till att främja den rationella designen av polymerbaserade organiska solcellsfilmer."