Zonnecellen van de volgende generatie, gemaakt van organische verbindingen, zijn veelbelovend om aan toekomstige energiebehoeften te voldoen, maar onderzoekers streven er nog steeds naar om een ​​diep begrip te krijgen van de betrokken materialen - inclusief de efficiëntie waarmee ze licht omzetten in mobiele lading, bekend als fotocapaciteit.

Een onderzoeksgroep van Cornell onder leiding van John Marohn, hoogleraar bij de vakgroep Scheikunde en Chemische Biologie, heeft een unieke methode voorgesteld voor het registreren en meten van door licht geïnduceerde mobiele lading - op nanoschaallengtes en nanoseconde tijdschalen - op verschillende gebieden in een heterogeen zonnecelmateriaal.

Hun aanpak omvat een geladen microcantilever, die een lichte verschuiving in oscillatiefase ervaart als gevolg van interactie met een nabijgelegen elektrisch geladen materiaal. Marohn vergelijkt de techniek met hoe een klok kan worden beïnvloed door een elektrische lading, waar het verschil niet in realtime kan worden gezien, maar het effect van de lading is duidelijk wanneer je die klok vergelijkt met een niet-aangetaste klok.

"De klokken gaan allebei een keer per uur rond, "Marohn zei, "maar men zal iets vooruitgaan als gevolg van de interactie met de lading. En door de twee klokken te vergelijken, je kunt zien dat de ene een beetje extra hoek heeft opgepikt."

hun papier, "Microseconde fotocapacitieve transiënten waargenomen met behulp van een geladen microcantilever als een gated mechanische integrator, " werd op 9 juni gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Marohns medewerkers waren promovendi Ryan Dwyer en Sarah Nathan, die het hoofdauteurskrediet delen.

De groep heeft octrooibescherming aangevraagd voor de techniek die het voor dit werk heeft ontwikkeld - phase-kick electric force microscopy (pk-EFM) - bij Cornell's Center for Technology Licensing.

Een van de inefficiënties van organische zonnecelmaterialen die Marohn en zijn groep aanpakken, is recombinatie. Wanneer zonlicht het materiaal raakt, het creëert gratis ladingen (negatief geladen elektronen en positief geladen gaten) die worden omgezet in elektrische stroom. Maar niet al die gratis ladingen ontsnappen uit de cel en worden stroom; degenen die niet veranderen in de huidige recombineren, met als bijproduct warmte.

Het vermogen om te "zien" - of, nauwkeuriger, maatregel - het genereren van lading en recombinatie na een uitbarsting van licht was de stuwkracht van de groep achter de ontwikkeling van pk-EFM. Een geleidende cantilever wordt in de buurt van een organische halfgeleiderfilm geplaatst; een spanningspuls wordt toegepast op de cantilever, terwijl een zorgvuldig getimede lichtpuls op het monster wordt toegepast.

De oscillatiefrequentie van de cantilever wordt enigszins verschoven door de elektrostatische interacties met de mobiele ladingen in het monster. Die interacties resulteren in een faseverschuiving, of "phase kick" zoals de groep het noemt. Deze faseverschuiving houdt lang aan (bijna een seconde) en is daarom relatief eenvoudig nauwkeurig te meten.

De onderzoekers bestuderen deze faseverschuiving als functie van de nanoseconde vertraging tussen de lichtpulsen en spanningspulsen. Op deze manier, de onderzoekers kunnen indirect afleiden wat er met ladingen is gebeurd op de nanoseconde tijdschaal zonder de lading direct te hoeven observeren, live.

"Wat we wilden was een manier om te zien, in deze kleine regio's waar verschillende moleculen geconcentreerd zijn, hoe de ladingen recombineren in de verschillende regio's van het monster, "Zei Marohn. "We proberen dingen te bekijken die zowel heel snel als heel klein zijn."

Het werk van de groep probeert dieper in te gaan op de fotocapaciteit van organische bulkmaterialen die eerder zijn onderzocht met behulp van in de tijd opgeloste elektrische krachtmicroscopie. Toekomstig werk zal zich richten op het verkrijgen van een nog betere ruimtelijke en temporele resolutie in de hoop uiteindelijk te bepalen welke combinatie van materialen optimaal is voor efficiënte zonne-energie.

"Zonnecellen werken goed, en we begrijpen niet echt hoe ze werken, "Zei Marohn. "Het lijkt erop, als je echt begreep hoe ze werkten, je zou ze een stuk beter kunnen maken. En dit is een manier om daar achter te komen."