Målet att göra billiga organiska solceller kan ha blivit lite mer lättillgängligt med en ny förståelse av den grundläggande vetenskapen om laddningsseparation som presenterades i en tidning som publicerades online idag, 3 februari, i Naturkommunikation . Medförfattare av Penn State elektriska ingenjör Noel Giebink med huvudförfattaren Bethany Bernardo, en student i sin grupp, och kollegor på IMEC i Belgien, Argonne National Lab, nordvästra, och Princeton, tidningen föreslår designregler för att göra mer effektiva solceller i framtiden.

Organiska solceller har för närvarande en toppeffektivitet på cirka 10 procent i laboratoriet, mycket mindre än oorganiskt enkristallkisel. En av utmaningarna för att förverkliga effektiva organiska celler ligger i att separera de starkt bundna paren som består av en negativt laddad elektron och dess positivt laddade hål som är resultatet av ljusabsorption, gemensamt kallad exciton. Elektronen och hålet måste separeras för att skapa en ström.

Det här görs genom att skapa en heterojunction, som är två olika organiska halvledare bredvid varandra, varav en gillar att ge upp en elektron och den andra som accepterar elektronen, därigenom splittras den ursprungliga excitonen till en elektron och hål som finns på närliggande molekyler. En långvarig fråga på området, dock, är hur den närliggande elektronen och hålet – som fortfarande är starkt attraherade av varandra i detta skede – lyckas separera helt för att generera ström med den effektivitet som observeras i de flesta solceller.

Under de senaste åren, ett nytt perspektiv har föreslagit att den höga separationseffektiviteten är beroende av en kvanteffekt – elektronen eller hålet kan existera i ett våglikt tillstånd utspridda över flera närliggande molekyler samtidigt. När vågfunktionen hos en av bärarna kollapsar på en plats tillräckligt långt bort från sin partner, avgifterna kan separeras lättare. Giebink och kollegors arbete ger övertygande nya bevis för att stödja denna tolkning och identifiera nanokristallinitet hos det gemensamma acceptormaterialet tillverkat av C ₆₀ molekyler (även kända som fullerener eller buckyballs) som nyckeln som tillåter denna delokaliseringseffekt att äga rum.

Denna lokala kristallina ordning verkar vara avgörande för effektiv fotoströmsgenerering i organiska solceller, säger Giebink. "En vanlig uppfattning i samhället är att det krävs en massa överflödig energi för att bryta isär exciton, vilket innebar att det måste finnas en stor energinivåskillnad mellan donator- och acceptormaterial. Men den stora energiförskjutningen minskar spänningen i solcellen. Vårt arbete skingra denna upplevda avvägning i ljuset av den inverkan som vågfunktionsdelokalisering och lokal kristallinitet har på laddningsseparationsprocessen. Detta resultat borde hjälpa människor att designa nya molekyler och optimera donator- och acceptormorfologier som hjälper till att öka solcellsspänningen utan att offra ström."

Teamet använde olika luminescens- och elektroabsorptionsspektroskopiska tekniker tillsammans med röntgendiffraktion för att nå sin slutsats. Deras resultat, detaljerad i artikeln med titeln "Delokalisering och dielektrisk screening av laddningsöverföringstillstånd i organiska fotovoltaiska celler, " kommer att ge andra grupper en bättre förståelse för laddningsseparering när de designar och modellerar mer effektiva organiska solceller.