Solceller baserade på organiska polymerer är av stort intresse eftersom materialen är både billigare att tillverka och lättare att bearbeta än de som används i traditionella oorganiska solceller. Hittills, dock, den allra bästa effektomvandlingseffektiviteten för polymersolceller förblir under tröskeln för praktisk tillämpning. Itaru Osaka från Emergent Molecular Function Research Group vid RIKEN Center for Emergent Matter Science och kollegor har nu utan tvekan upptäckt att en förändring av polymerens struktur resulterar i en betydande förbättring av effektomvandlingseffektiviteten1.

När ljusenergi absorberas av polymeren i en polymersolcell, elektroner exciteras till högre energinivåer för att producera en högenergielektron och ett motsvarande elektron "hål". För att omvandla ljusenergin till elektrisk ström, dessa elektroner och hål måste röra sig genom polymeren till elektroderna innan de rekombinerar och energin går förlorad. Mycket forskning har ägnats åt att förstå hur man kan förbättra denna konverteringsprocess.

Osaka och hans kollegor hade arbetat med en viss typ av sampolymer innehållande en upprepad naftoditiofen-naftobistiadiazol-struktur som kallas PNNT-DT. "PNNT-DT har mycket låg löslighet, " förklarar Osaka, "så vi var intresserade av att fästa ytterligare alkylsidokedjor till polymeren för att förbättra dess bearbetbarhet." Som förväntat, denna modifiering förbättrade avsevärt polymerens löslighet, men förbättrade också avsevärt och oväntat effektomvandlingseffektiviteten för solceller gjorda med polymeren.

I solcellerna, polymeren deponeras som en tunn film, och analys avslöjade att dessa nya "alkylerade" polymerer var arrangerade så att polymerkedjorna låg platt i staplar på ytan snarare än inriktade vinkelrätt mot den. Detta gör att laddningsbärarna – elektroner och hål – rör sig vinkelrätt mot ytan snarare än parallellt, förbättring av effektomvandlingseffektiviteten (fig. 1). "Denna oväntade förändring i orienteringen gav solceller med en effektivitet på upp till 8,2 % jämfört med bara 5,5 % för det oalkylerade materialet, säger Osaka.

I sista hand, Osaka och hans medarbetare hoppas kunna utnyttja denna dramatiska effektivitetsförbättring i andra polymerer för att komma närmare att producera polymersolceller som verkligen kan konkurrera med oorganiska solcellers effektivitet på 15 % eller mer. "Vi behöver en större förståelse för varför denna förändring i polymerorientering sker, och sedan måste vi applicera det på andra polymerer som kan absorbera ett bredare spektrum av synliga ljusvåglängder, " han säger.