(Phys.org) —Undersökningar från North Carolina State University avslöjar att solcellens effektivitet bygger på en känslig balans mellan storlek och renhet på de inre skikten, eller domäner. Dessa fynd kan leda till bättre design och förbättrad prestanda i organiska solceller.

Polymerbaserade solceller är avsedda att ha två domäner, bestående av en elektronacceptor och ett elektrondonatormaterial. Solcellseffektivitet baseras på flera faktorer:den lätthet med vilken excitoner (energipartiklarna som skapas av solceller när ljus absorberas) kan färdas till gränsytan mellan donator- och acceptordomänerna samtidigt som de behåller så mycket av ljusets energi som möjligt; och, när laddningarna är separerade från excitonerna, hur effektivt separerade laddningar färdas till enhetens elektroder för uppsamling.

I verkligheten, dock, dessa domäner är inte separata och rena, och det kan bli många fler än två. Nuvarande bearbetningsmetoder skapar en komplex, multidomänstruktur, vilket påverkar alla faktorer som är involverade i solcellens effektivitet.

NC State fysiker Harald Ade och medarbetare ville ta reda på exakt hur solcellens komplexa struktur påverkar dess prestanda. Med hjälp av avancerad mjuk röntgenteknik, Ade och kollegor från Chinese Academy of Sciences fann att domänerna blandades på ovanliga och ibland motsägelsefulla sätt.

"Föreställ dig solcellens två domänmaterial som kaksmet med ett lager vanilj och ett lager choklad, " säger Ade. "Inledningsvis, gränsytan – där lagren berör – är lika stor som din kakform. När du blandar lagren genom att dra en gaffel genom smeten för att göra virvlar, mer av vaniljen berör chokladen och du skapar ännu mer gränsyta. I en solcell, mer gränsyta tjänar till att öka prestandan genom att öka laddningsseparationen.

"Dock, om du fortsätter att blanda lagren, du får en enhetlig smet med mindre renhet, vilket minskar solcellens prestanda när laddningarna rekombineras och går förlorade på grund av för mycket blandning.

"Vad vi finner är att i verkliga enheter liknar strukturen att göra virvlar med olika storlek på gafflar med hjälp av en kombination av stora eller små rörelser. Detta skapar två längdskalor som kan ha olika grader av smetenhet, leder till komplexa avvägningar mellan storlek, renhet och prestanda. Vår uppgift nu är att förstå dessa avvägningar och ta reda på hur man konstruerar solceller som drar nytta av dem. "