Solceller, även känd som solceller, producera elektrisk kraft när de utsätts för ljus, och att tekniken har möjliggjort en snabbväxande industri. De mest välbekanta designerna använder styva lager av kiselkristall. Men nyligen, Det intensiva intresset har fokuserat på organiska fotovoltaiska (OP) enheter som använder billiga organiska halvledarmaterial inklämda mellan två metallelektroder. OP-enheter kan göras flexibla och lätta att bära. Föreställ dig ett tält som en gång uppsatt, fungerar som ett stort solsystem som kan användas för att ladda bärbar elektronik och lampor för den kommande campingnatten.

Dock, vid denna tidpunkt hindras organiska solceller av låg effektivitet i förhållande till kommersiella solceller – delvis för att kvantifiering av deras elektriska egenskaper har visat sig vara en utmaning. Därför, prediktiva modeller och kvantitativa mätvärden för enhetens prestanda är mycket nödvändiga.

Forskare från NIST:s Physical Measurement Laboratory, leds av David Gundlach och Curt Richter från Semiconductor and Dimensional Metrology Division, tillsammans med James Basham, en gästforskare från Penn State University, har utvecklat en metod som möjliggör förutsägelse av strömtätheten-spänningskurvan för en solcellsanordning. ¹ Denna nya metod använder en vanlig mätteknik (impedansspektroskopi) som är överkomlig, allmänt tillgänglig för tillverkare, och relativt lätt att utföra. Tekniken är repeterbar, icke-förstörande, ganska snabbt (≈15 min för att testa en enhet), och – tack vare en rigorös analys och metod som skapats av Basham – ger en omfattande avläsning av enhetens strömspänningsegenskaper som tidigare var illusorisk för de flesta forskare som arbetar inom området. Till sist, denna teknik gör att enheten kan testas i verkliga förhållanden.

"Det här mätningsgenombrottet borde göra det möjligt för oss att snabbare optimera solceller, " Richter säger. "Vi kan titta på vad som händer elektroniskt i hela enheten. Viktigt, hur lång tid existerar laddningen när den väl skapats och hur lång tid tar det att få den fotogenererade laddningen genom halvledarblandningen till elektroderna? Ju större skillnaden är mellan laddningslivslängden och enhetens transittid förbättrar avsevärt sannolikheten för att en solcellsenhet kommer att vara en mer effektiv källa till elektrisk kraft."

För närvarande på laboratorienivå, strömspänningstestning av organiska fotovoltaiska enheter görs vanligtvis genom att analysera enhetens funktion vid endera ytterligheten av enhetens biasspektrum – det vill säga, en kortslutning eller en öppen krets – och försöker dra slutsatser från dessa resultat vad som händer elektriskt i enheten. Men, när enheten inte fungerar som en "lärobok" eller "ideal" solcell då blir bilden av vad som pågår i enheten mellan dessa fördomsextremer snabbt grumlig.

"Det tillvägagångssättet fungerar bara om rekombinationen (där laddningsbärarna elimineras snarare än att fortsätta strömma genom enheten) vid en förspänning är nominellt identisk med laddningsgenereringen vid den andra, " säger Gundlach. "I en bra enhet, de borde vara ungefär lika. I en icke-ideal enhet, de kan vara väldigt olika. Med vår teknik, vi kan faktiskt kartlägga hela omfånget av egenskaperna från den ena ytterligheten till den andra och distrahera generationen, transport, och olika förlustmekanismer genom hela biasintervallet."

Resultatet av denna nya teknik är den exakta reproduktionen av enhetens strömtäthet-spänningskurva genom hela spänningsområdet mellan förspänningsextrema. Detta gör att forskare kan peka ut var det finns problem i enheten och kan fungera som en ritning för vad som ska fixas i enheten.

"Kombinera de fysiska egenskaperna, livstid, och bärarkoncentrationer med en noggrann bild i nanoskala av halvledarfilmens mikrostruktur ger verkligen en komplett bild av hur enheten fungerar och vad som begränsar dessa enheter från att nå sina teoretiskt förutsagda prestandagränser, " Gundlach förklarar. "Våra kollegor i materialmätningslaboratoriet vid NIST har avsevärt avancerat fältförståelsen av det senare. Vi är nu i en mycket bättre position för att sätta ihop all information, och sedan kan vi utveckla mer fysiskt exakta enhetsmodeller, bättre informerade riktlinjer för materialdesign, och i slutändan närmare koppla materialegenskaper med bearbetningsmetoder och solcellsprestanda."

Och eftersom den fysiska processen som styr organiska solceller är mycket lik andra organiska halvledare (organiska ljusemitterande dioder, till exempel, som är vanliga i elektroniska displayer), framtida tillämpningar av denna teknik på andra industrier verkar rättfram.

"Mycket av den förståelse som utvecklas här kan också tillämpas för att göra bättre organiska lysdioder, " Richter förklarar. De organiska fotovoltaiska proverna som används i denna studie har utvecklats i egen regi på NIST. Den 100 nm tjocka enheten har en struktur i tre lager - en övre halvtransparent elektrod, den organiska solcellsanläggningen, och en bottenelektrod – placerad på en 1 tums bit glas.

För impedansspektroskopimätningar, provet installerades under ett vitt LED-bredbandsljus, kalibrerad till en solbelysning (naturligt solljus).

Själva mätningen är konceptuellt enkel:"Vi applicerar en oscillerande spänning över enheten och mäter strömmen som kommer ut, " Richter förklarar. "Vi gör detta under det simulerade solljuset. Matematiskt, vi tittar på fasförskjutningen av strömmen ut i förhållande till spänningen in."

Dessa resultat, kombinerat med Bashams analys och metodik, tillhandahålla en relativt billig mätning som har ett enormt värde för att förstå dominerande förlustmekanismer över hela förspänningsområdet för en enhet.

"Nu, ett litet nystartat företag kan gå ut och köpa en impedansspektrometer och göra den här mätningen med vårt papper i handen eftersom det talar om för dem hur, ", konstaterar Gundlach.

"Vi kan också göra samma mätningar utan ljuskällan inom samma spänningsområde, "Gundlach fortsätter, "och man får inte exakt samma svar. Det finns delar av samhället som har argumenterat för att man kan göra de här mörka mätningarna och få samma svar."

På senare tid, Gundlach och Basham, i samarbete med NIST:s materialmätningslaboratorium, använde denna teknik i kombination med separat mätteknik som kallas Large Perturbation Transient Photovoltage (LPTP). ² I LPTP, det organiska fotovoltaiska provet belyses med en laserpuls, vilket resulterar i en tillfällig högspänning som avtar under en tid från nanosekund till sekunder. Spänningen mäts, och en datakurva produceras baserat på den tid det tar för spänningen att falla tillbaka till sitt mörka tillstånd. Dessa resulterande data ger ytterligare information om rekombinationseffekterna i enheten som impedansspektroskopi inte kan tillhandahålla.

Jämförelser av den fotogenererade laddningslivslängden som en funktion av laddningstätheten över ett stort intervall av laddningstäthet producerad av båda metoderna var desamma, bekräftar att båda teknikerna känsligt och exakt kan mäta genererings- och rekombinationsprocesser på ett konsekvent sätt.

"Detta är en viktig validering av dessa mättekniker och analysmetoder som inte har visats uttryckligen tidigare för dessa enheter; endast antas, ", konstaterar Gundlach.