Ett forskarlag under ledning av North Carolina State University har utvecklat en ny teknik för att bestämma vilken roll ett material struktur har för effektiviteten hos organiska solceller, som är kandidater för lågkostnad, nästa generations solenergi. Forskarna har använt tekniken för att fastställa att material med en mycket organiserad struktur på nanoskala inte är mer effektiva för att skapa fria elektroner än dåligt organiserade strukturer – ett fynd som kommer att hjälpa till att styra framtida forsknings- och utvecklingsinsatser.
"Det har gjorts många studier som tittar på effektiviteten hos organiska solceller, men energiomvandlingsprocessen innefattar flera steg – och det är svårt att isolera effektiviteten i varje steg, " säger Dr Brendan O'Connor, en biträdande professor i maskinteknik vid NC State och senior författare till en artikel om arbetet. "Tekniken vi diskuterar i vårt nya dokument tillåter oss att reda ut dessa variabler och fokusera på ett specifikt steg - excitondissociationseffektivitet."
I stort sett, organiska solceller omvandlar ljus till elektrisk ström i fyra steg.
Först, cellen absorberar solljus, som exciterar elektroner i det aktiva lagret av cellen. Varje exciterad elektron lämnar efter sig ett hål i det aktiva lagret. Elektronen och hålet kallas tillsammans för en exciton. I det andra steget, kallas diffusion, excitonen hoppar runt tills den möter ett gränssnitt med ett annat organiskt material i det aktiva lagret. När exciton möter detta gränssnitt, du får steg tre:dissociation. Under dissociation, excitonen går isär, frigör elektronen och respektive hål. I steg fyra, kallas avgiftsuppbörd, den fria elektronen tar sig igenom det aktiva lagret till en punkt där den kan skördas.
I tidigare forskning om organiska solceller, det rådde oklarhet om huruvida skillnader i effektivitet berodde på dissociation eller avgiftsuppbörd – eftersom det inte fanns någon tydlig metod för att skilja mellan de två. Var ett material ineffektivt på att dissociera excitoner till fria elektroner? Eller gjorde materialet bara det svårt för fria elektroner att hitta ut?
För att ta itu med dessa frågor, forskarna utvecklade en metod som drar fördel av en speciell egenskap hos ljus:om ljus är polariserat så att det "löper" parallellt med den långa axeln av organiska solcellsmolekyler, det kommer att absorberas; men om ljuset går vinkelrätt mot molekylerna, den går rakt igenom den.
Forskarna skapade välorganiserade nanostrukturer inom en del av det aktiva lagret av en organisk solcell, vilket betyder att molekylerna i den delen sprang på samma sätt. De lämnade de återstående regionerna av cellen oorganiserade, vilket betyder att molekylerna sprang i en massa olika riktningar. Denna design gjorde det möjligt för forskarna att göra de organiserade områdena i cellen effektivt osynliga genom att kontrollera polariteten hos ljuset riktat mot det aktiva lagret. Med andra ord, forskarna kunde testa bara den organiserade sektionen eller bara den oorganiserade sektionen – trots att de var på samma aktiva lager av samma solcell.
Eftersom avgiftsinsamlingen skulle vara densamma för båda regionerna (eftersom de var på samma aktiva lager), tekniken gjorde det möjligt för forskarna att mäta i vilken grad strukturell organisation påverkade materialets dissociationseffektivitet.
"Vi fann att det inte fanns något samband mellan dissociationseffektivitet och strukturell organisation, " O'Connor säger. "Det var verkligen en överraskning, och det säger oss att vi inte behöver högt ordnade nanostrukturer för effektiv generering av fria elektroner.
"I praktiska termer, denna teknik kommer att hjälpa till att särskilja effektivitetsförluster hos nyutvecklade material, hjälper till att definiera vilka material- och nanostrukturegenskaper som behövs för att främja organisk solcellsteknologi."
