Med hjälp av DESYs röntgenljuskälla PETRA III, forskare vid Technische Universität München har, för första gången, sett organiska solceller brytas ned i realtid. Detta arbete kan öppna nya tillvägagångssätt för att öka stabiliteten hos denna mycket lovande typ av solcell. Teamet som leds av prof. Peter Müller-Buschbaum från Technische Universität München (Münchens tekniska universitet) presenterar sina observationer i veckans nummer av den vetenskapliga tidskriften Avancerade material .

Organiska solceller, speciellt de baserade på polymerer är billiga att producera i stor skala. Tack vare deras fysiska flexibilitet, de kan öppna upp nya tillämpningar av solceller som inte är möjliga idag. Dessutom, de kan omvandla ljus till elektricitet med en verkningsgrad på mer än tio procent och skulle kunna bidra väsentligt till en storskalig elförsörjning baserad på förnybara källor. Dock, effektiviteten hos organiska solceller minskar fortfarande snabbt och de har en kortare livslängd än konventionella kiselceller.

Vid P03-mätstationen för DESYs ljuskälla PETRA III, forskare har gjort de första levande observationerna av nedbrytningen av organiska solceller i drift. Att göra detta, de tände en provpolymersolcell med hjälp av en solsimulator, som avger ljus som matchar solljusets spektrum och intensitet, och registrerade cellens elektriska egenskaper över tiden. Med intervaller från flera minuter till så mycket som en timme, forskarna tittade också in i solcellen med den skarpt fokuserade röntgenstrålen från PETRA III. På så sätt kunde de se hur den inre strukturen i det aktiva lagret av solcellen förändrades under loppet av sju timmar, medan cellens effektivitet minskade med cirka 25 procent.

Elektricitet genereras i det aktiva lagret vid så kallade aktiva domäner i dessa solceller. Här, ljus absorberas och laddningsbärare frigörs. Diametern på dessa aktiva domäner ökade med 17 procent under studien, från cirka 70 till mer än 80 nanometer. På samma gång, medelavståndet mellan dem ökade med 19 procent från 310 nanometer till cirka 370 nanometer, som röntgenmätningarna visade.

"Detta tyder på att små anläggningar under drift försvinner permanent till förmån för större, " förklarar första författaren Christoph Schaffer, som är doktorand i Müller-Buschbaums grupp. "Även om domänerna växer, de går också undan från varandra, detta betyder att deras totala aktiva yta krymper. Detta kan exakt förklara den observerade nedgången i effektivitet."

"Undersökningen förklarade mekanismen för nedbrytning för första gången. Det är ett första steg, " säger medförfattaren Dr. Stephan Roth, DESY-forskaren ansvarig för mätstationen P03. "Nästa steg innebär att försöka minska eller kontrollera denna tillväxt på ett målinriktat sätt, till exempel, genom tillsats av lämpliga ämnen. Polymersolceller kan tänkas produceras med en inre struktur där de aktiva platserna växer till sin optimala storlek under de första drifttimmarna, ", tillägger Müller-Buschbaum. "Konsekvensen av sådana åtgärder kan bli att industriellt producerade celler slutligen passerar den ekonomiskt avgörande effektivitetströskeln även för långtidsdrift, " betonar Roth.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY är det ledande tyska acceleratorcentret och ett av de ledande i världen. DESY är medlem i Helmholtz Association och får sin finansiering från det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF) (90 procent) och de tyska förbundsstaterna Hamburg och Brandenburg (10 procent). På sina platser i Hamburg och Zeuthen nära Berlin, DESY utvecklar, bygger och driver stora partikelacceleratorer, och använder dem för att undersöka materiens struktur. DESYs kombination av fotonvetenskap och partikelfysik är unik i Europa.