Forskare från North Carolina State University och den kinesiska vetenskapsakademin har hittat ett enkelt sätt att modifiera molekylstrukturen hos en polymer som vanligtvis används i solceller. Deras modifiering kan öka solcellseffektiviteten med mer än 30 procent.

Polymerbaserade solceller har två domäner, bestående av en elektronacceptor och ett elektrondonatormaterial. Excitoner är de energipartiklar som skapas av solceller när ljus absorberas. För att kunna utnyttjas effektivt som en energikälla, excitoner måste kunna färdas snabbt till gränssnittet mellan donator- och acceptordomänerna och behålla så mycket av ljusets energi som möjligt.

Ett sätt att öka solcellseffektiviteten är att justera skillnaden mellan den högsta ockuperade molekylära omloppsbanan (HOMO) för acceptorn och den lägsta nivån för obesatt molekylomloppsbana (LUMO) för polymeren så att excitonen kan skördas med minimal förlust. Ett av de vanligaste sätten att åstadkomma detta är att lägga till en fluoratom till polymerens molekylära ryggrad, en svår, flerstegsprocess som kan öka solcellens prestanda, men har avsevärda materialtillverkningskostnader.

Ett team av kemister ledda av Jianhui Hou från den kinesiska vetenskapsakademin skapade en polymer känd som PBT-OP från två kommersiellt tillgängliga monomerer och en lätt syntetiserad monomer. Wei Ma, en postdoktoral fysikforskare från NC State och motsvarande författare på ett papper som beskriver forskningen, genomförde röntgenanalys av polymerens struktur och donator:acceptor-morfologi.

PBT-OP var inte bara lättare att tillverka än andra vanliga polymerer, men en enkel manipulation av dess kemiska struktur gav den en lägre HOMO-nivå än vad som hade setts i andra polymerer med samma molekylära ryggrad. PBT-OP visade ett öppen kretsspänning (spänningen tillgänglig från en solcell) på 0,78 volt, en ökning på 36 procent jämfört med genomsnittet på ~0,6 volt från liknande polymerer.

Enligt NC State fysiker och medförfattare Harald Ade, lagets tillvägagångssätt har flera fördelar. "Den möjliga nackdelen med att ändra molekylstrukturen hos dessa material är att du kan förbättra en aspekt av solcellen men oavsiktligt skapa oavsiktliga konsekvenser i enheter som motverkar den ursprungliga avsikten, " säger han. "I det här fallet, vi har hittat ett kemiskt enkelt sätt att ändra den elektroniska strukturen och förbättra enhetens effektivitet genom att fånga en större del av ljusets energi, utan att ändra materialets förmåga att absorbera, skapa och transportera energi."

Forskarnas fynd dyker upp i Avancerade material . Forskningen finansierades av det amerikanska energidepartementet och det kinesiska ministeriet för vetenskap och teknik. Dr Maojie Zhang syntetiserade polymererna; Xia Guo, Shaoqing Zhang och Lijun Huo från den kinesiska vetenskapsakademin bidrog också till arbetet.