Onderzoekers van Purdue University hebben het mechanisme geïdentificeerd waarmee organische zonnecellen een lading kunnen creëren, het oplossen van een al lang bestaande puzzel in de natuurkunde, volgens een paper gepubliceerd op vrijdag (12 januari) in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Organische zonnecellen zijn gebouwd met zachte moleculen, terwijl anorganische zonnecellen, vaak op siliconenbasis, zijn gebouwd met stijvere materialen. Siliciumcellen domineren momenteel de industrie, maar ze zijn duur en stijf, terwijl organische cellen het potentieel hebben om licht te zijn, flexibel en goedkoop. Het nadeel is dat het creëren van een elektrische stroom in organische cellen veel moeilijker is.

Om een ​​elektrische stroom op te wekken, twee deeltjes, één met een negatieve lading (elektron) en één met een positieve lading (elektron-gat), moeten scheiden ondanks dat ze stevig aan elkaar zijn gebonden. Deze twee deeltjes, die samen een exciton vormen, vereisen meestal een door de mens gemaakte interface om ze te scheiden. De interface trekt het elektron door een elektronenacceptor en laat het gat achter. Zelfs met de interface op zijn plaats, het elektron en het gat worden nog steeds tot elkaar aangetrokken - er is nog een ander mechanisme dat hen helpt te scheiden.

"We ontdekten dat dit type elektron-gat-interface niet één enkele statische toestand is. Het elektron en het gat kunnen ver uit elkaar of dicht bij elkaar zijn, en hoe verder ze uit elkaar liggen, hoe groter de kans dat ze uit elkaar gaan, " zei Libai Huang, een assistent-professor scheikunde in Purdue's College of Science, die het onderzoek leidde. "Als ze ver uit elkaar zijn, ze zijn eigenlijk heel mobiel, en ze kunnen vrij snel bewegen. We denken dat dit soort snelle beweging tussen de positieve en negatieve lading de oorzaak is van de scheiding op deze interfaces."

Organische zonnecellen zijn moeilijk te bestuderen omdat ze rommelig zijn - ze zien eruit als een kom spaghetti, zei Huang. Er zijn veel interfaces om naar te kijken en ze zijn erg klein.

"Het is echt moeilijk om optische spectroscopie uit te voeren op die lengteschaal. Deze staten leven ook niet erg lang, dus je hebt een tijdsresolutie nodig die erg kort is, " zei Huang. "We hebben deze tool ontwikkeld, ultrasnelle microscopie genaamd, waarin we tijd en ruimtelijke resolutie combineren om in feite te kijken naar processen die plaatsvinden op snelle tijdschalen in zeer kleine dingen."

Zelfs dan, de ruimtelijke resolutie is niet goed genoeg, dus creëerde Huang's lab een grote, tweedimensionale interface om orde te scheppen in de chaotische opstelling van moleculen. De oplossing voor het probleem is tweeledig, zei ze:ultrasnelle microscopie en de interface.

Weten hoe excitonen scheiden, zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe interfaces voor organische zonnecellen. Het kan ook betekenen dat er materialen zijn om zonnecellen mee te bouwen die nog moeten worden benut, zei Huang.