Magnetiska nanopartiklar kan öka prestandan hos solceller gjorda av polymerer – förutsatt att mixen är rätt. Detta är resultatet av en röntgenstudie vid DESY:s synkrotronstrålningskälla PETRA III. Att lägga till ungefär en procent av sådana nanopartiklar i vikt gör solcellerna mer effektiva, enligt resultaten av ett team av forskare under ledning av prof. Peter Müller-Buschbaum från Münchens tekniska universitet. De presenterar sin studie i ett av de kommande numren av tidskriften Avancerade energimaterial (publiceras online i förväg).

Polymer, eller ekologiskt, solceller erbjuder en enorm potential:de är billiga, flexibel och extremt mångsidig. Deras nackdel jämfört med etablerade kiselsolceller är deras lägre effektivitet. Vanligtvis, de omvandlar bara några få procent av det infallande ljuset till elektrisk kraft. Ändå, organiska solceller är redan ekonomiskt lönsamma i många situationer, och forskare letar efter nya sätt att öka sin effektivitet.

En lovande metod är tillsatsen av nanopartiklar. Det har visats, till exempel, att guldnanopartiklar absorberar ytterligare solljus, vilket i sin tur producerar ytterligare elektriska laddningsbärare när energin frigörs igen av guldpartiklarna.

Müller-Buschbaums team har följt ett annat tillvägagångssätt, dock. "Ljuset skapar par av laddningsbärare i solcellen, som består av en negativt laddad elektron och ett positivt laddat hål, vilket är en plats där en elektron saknas, " förklarar huvudförfattaren till den aktuella studien, Daniel Moseguí González från Müller-Buschbaums grupp. "Konsten att göra en organisk solcell är att separera detta elektron-hålspar innan de kan kombineras igen. Om de gjorde det, den producerade laddningen skulle gå förlorad. Vi letade efter sätt att förlänga livslängden för elektron-hålsparet, vilket skulle tillåta oss att separera fler av dem och dirigera dem till motsatta elektroder."

Denna strategi använder sig av en kvantfysikalisk princip som säger att elektroner har en slags intern rotation, känd som spin. Enligt kvantfysikens lagar, detta snurr har ett värde på 1/2. Det positivt laddade hålet har också en spin på 1/2. De två snurren kan antingen läggas ihop, om de är i samma riktning, eller ta bort varandra om de är i motsatta riktningar. Elektronhålsparet kan därför ha ett totalt spinn på 0 eller 1. Par med ett spin på 1 existerar längre än de med ett totalt spinn på 0.

Forskarna försökte hitta ett material som kunde omvandla spin 0-tillståndet till ett spin 1-tillstånd. Detta krävde nanopartiklar av tunga grundämnen, som vänder elektronens eller hålets spinn så att de två partiklarnas spinn är riktade i samma riktning. Järnoxidmagnetiten (Fe3O4) kan faktiskt göra just detta. "I vårt experiment, tillsats av magnetitnanopartiklar till substratet ökade solcellernas effektivitet med upp till 11 procent, " rapporterar Moseguí González. Livslängden för elektron-hålsparet är avsevärt förlängd.

Att lägga till nanopartiklar är en rutinprocedur som enkelt kan utföras under de olika metoderna för tillverkning av organiska solceller. Det är viktigt, dock, att inte lägga till för många nanopartiklar till solcellen, eftersom den inre strukturen hos organiska solceller är finjusterad för att optimera avståndet mellan de ljusuppsamlande, aktiva material, så att paren av laddningsbärare kan separeras så effektivt som möjligt. Dessa strukturer ligger i intervallet 10 till 100 nanometer.

"Röntgenundersökningen visar att om man blandar ett stort antal nanopartiklar i materialet som används för att göra solcellen, du ändrar dess struktur", förklarar medförfattaren Dr. Stephan Roth, chef för DESYs strållinje P03 vid PETRA III, där experimenten utfördes. "Solcellen vi tittade på kommer att tolerera dopningsnivåer för magnetitnanopartiklar på upp till en viktprocent utan att ändra deras struktur."

Forskarna observerade den största effekten när de dopade substratet med 0,6 viktprocent nanopartiklar. Detta gjorde att effektiviteten hos den undersökta polymersolcellen ökade från 3,05 till 3,37 procent. "En 11-procentig ökning av energiutbytet kan vara avgörande för att göra ett material ekonomiskt lönsamt för en viss tillämpning, " betonar Müller-Buschbaum.

Forskarna tror att det också kommer att vara möjligt att öka effektiviteten hos andra polymersolceller genom att dopa dem med nanopartiklar. "Kombinationen av högpresterande polymerer med nanopartiklar lovar ytterligare ökningar av effektiviteten hos organiska solceller i framtiden. utan en detaljerad undersökning, som att använda röntgenstrålar som sänds ut av en synkrotron, det skulle vara omöjligt att få en grundläggande förståelse för de underliggande processerna som är involverade, avslutar Müller-Buschbaum.