(Phys.org) – Solljus som absorberas av organiska solceller måste först navigera i en nanoskala handske innan det blir användbar elektricitet. Efter att ha träffat det ljusabsorberande materialet i solcellen, kallas det fotoaktiva lagret, absorberat solljus exciterar elektroner, befria dem att hitta vägen genom en labyrint fylld med vändningar, vänder, återvändsgränder, och kollisioner. Endast de kostnadsfria avgifter som lyckas ta sig igenom denna labyrint kan användas i en krets som elektricitet. Så forskare har letat efter sätt att lindra elektronstoppet i organisk solceller.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory och Stony Brook University har utvecklat ett sätt att kartlägga graden av "trafikstockning" på elektronmotorvägarna inom det fotoaktiva lagret. Deras nya mät- och spårningsteknik använder optiskt styrda lägen-en process för att styra ljus genom exakta områden i solcellens horisontella plan-för att hjälpa forskare att bättre förstå hur materialen som används i de fotoaktiva skikten påverkar elektronresans hastighet och effektivitet.

"Med vår teknik, du kan nu bättre förstå hur långt elektronerna rör sig genom det komplexa nätverket av det fotoaktiva lagret, " sa Brookhaven fysiker Matthew Eisaman, teamledare på den nya studien publicerad online i Avancerade energimaterial den 25 augusti, 2013. "Tidigare studier avslöjade materialsammansättningen, men vår teknik belyser hur den strukturen påverkar elektrontransport."

Till skillnad från de stora kiselbaserade solcellerna som du vanligtvis ser på hushållstak eller monterade i storskaliga installationer för att generera elektricitet, organiska solceller är mer som flexibel plast. Organiska celler kan hitta utbredda tillämpningar i bärbar kraftgenerering för kommersiell och militär användning eller till och med i så kallade "byggnadsintegrerade solceller, "där solceller är direkt integrerade i fönstren, Fasad, eller taket på en byggnad. Deras flexibla former kan tillverkas billigt med storskaliga, rull-till-rulle tillverkning. Men för närvarande är dessa mångsidiga material inte lika effektiva som oorganiska alternativ.

Spåra avgifterna

När ljus exciterar elektroner i det fotoaktiva lagret av organiska solceller, processen skapar ett par laddningsbärare - en elektron och ett "hål, "frånvaron av en elektron där den en gång fanns. För att bli gratisavgifter, elektron-hålsparen måste delas isär, och detta sker vid gränssnittet mellan två material som vanligtvis utgör det fotoaktiva lagret, den ena är en elektronacceptor och den andra en elektrondonator.

De vanligaste fotoaktiva lagren i organiska solceller kallas bulk heterojunctions (BHJs), där acceptor- och donatormaterial blandas. Detta möjliggör mer effektiv ljusabsorption och laddningsextraktion eftersom dessa kritiska gränssnitt finns i hela cellen.

Elektronacceptor- och elektrondonatordelarna i det fotoaktiva skiktet BHJ är som två olika typer av motorvägsnät i solcellen, Eisaman förklarade. Elektroner färdas längs elektronacceptorns motorvägssystem, som är gjord av fullerenmolekyler, medan deras motsvarande hål rör sig genom elektrondonatorns motorvägssystem, som är tillverkad av en halvledande polymer. Att förstå hur elektroner rör sig genom det fotoaktiva skiktet BHJ har potentialen att göra organiska solceller mer effektiva än de som finns tillgängliga för närvarande.

För att avslöja de inre strukturerna och interaktionerna hos dessa BHJ "motorvägar, "Forskare från Brookhaven Lab undersökte solcellerna med ljus från olika riktningar.

"Solceller är som pannkakor, platt med stor yta, ", sa Eisaman. "Solljus träffar vanligtvis solcellen från ovansidan och passerar genom dess tunna lager. Detta kallas normal incidens."

Tidigare kunde forskare observera det fotoaktiva lagret genom att lysa en laser genom toppen av solcellen, liknar solsken. Men att sondera solceller med normal incidens är en ofullständig metod - ljus som lyser uppifrån tenderar att ha högre intensitet överst i det fotoaktiva lagret, minskar när det absorberas genom materialet och begränsar upplösningen. Den nya metoden som Eisaman och hans team utvecklade skickar ljus horisontellt genom solcellerna snarare än bara från toppen.

"Guidade optiska lägen möjliggör bättre kontroll över ljusets position, " sa Eisaman. "Ljuset fortplantar sig inom pannkakans plan, ger mer exakt information."

Fulleren och polymermaterial blandas inte likformigt i det fotoaktiva BHJ-skiktet. Istället, materialen tenderar att "fassegregeras, "med ena sidan som är polymerrik och den andra sidan är fullerenrik. Denna fassegregering påverkar både spridning av ljus och passage av elektroner och hål genom skiktet. Med hjälp av sin högupplösta bild av det BHJ fotoaktiva lagret, forskarna kartlade sedan hur elektroner färdas genom solcellen.

"Elektronerna och hålen är som två olika bilmärken som färdas på två olika typer av motorvägar, " sa Nanditha Dissanayake, huvudförfattare på studien. "Vi vill förstå vid vilken "avfart" varje bil först dyker upp på solcellsmotorvägen, och vad som händer när de reser till en stad – eller en elektrisk kontakt – där motorvägarna slutar."

Den nya metoden gjorde det möjligt för Eisaman och hans team att selektivt excitera regioner inom det fotoaktiva lagret BHJ så att de kunde mäta, med oöverträffad noggrannhet och enkelhet, sträckan elektronerna färdas.

"Med den normala incidensmetoden, du skapar många bilar utspridda någonstans mellan avfart 35 och 50, " sa Eisaman. "Men med vår guidade teknik, vi kan effektivt skapa bilar vid exakt avfart 60. Så vi kan observera hur många av dem som reste säkert från den avfarten till slutet av motorvägen, tydligt ritar stigen och avslöjar potthålen, vägspärrar och olyckor."

Lade till Dissanayake, "Den här tekniken ger dig en grundläggande förståelse för hur sammansättningen i en solcell påverkar laddningsutvinningen och effektiviteten hos en enhet. Den ger människor riktlinjer för hur man formulerar högeffektiva solceller - inte begränsat till organiska, men också andra typer av nanomaterialbaserade solceller. "

Forskarna använde instrument vid Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) för att tillverka solcellerna och karakterisera deras materialegenskaper. De utförde också exakta mätningar på fassegregering med hjälp av Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS).

"De kompletterande funktionerna hos de nya optoelektroniska teknikerna som utvecklas i vårt labb och de förstklassiga tillverknings- och materialkarakteriseringsfaciliteterna på CFN gör Brookhaven till en perfekt plats att utföra detta arbete, " sa Eisaman.

"Denna teknik är kärnan i vår strategi för att bygga nya och unika möjligheter för karaktärisering av solceller, sa Patrick Looney, ordförande för avdelningen för hållbar energiteknik vid Brookhaven Lab, där Eisaman arbetar.

Uppsatsen har titeln "Mapping Spatally Resolved Charge Collection Probability within Bulk Heterojunction Photovoltaics."