In een voorschot dat goedkoop zou kunnen duwen, alomtegenwoordige zonne-energie dichter bij de realiteit, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben een manier gevonden om elektronen veel verder te laten reizen dan eerder voor mogelijk werd gehouden in de materialen die vaak worden gebruikt voor organische zonnecellen en andere organische halfgeleiders.

"Voor jaren, mensen hadden de slechte geleidbaarheid van organische stoffen als een onvermijdelijk feit behandeld, en dit laat zien dat dat niet altijd het geval is, " zei Stephen Forrest, de Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering en Paul G. Goebel Professor of Engineering aan de U-M, die het onderzoek leidde.

In tegenstelling tot de anorganische zonnecellen die tegenwoordig veel worden gebruikt, organische stoffen kunnen worden gemaakt van goedkope, flexibele op koolstof gebaseerde materialen zoals plastic. Fabrikanten kunnen er rollen van produceren in verschillende kleuren en configuraties, onopvallend in bijna elk oppervlak te lamineren.

De notoir slechte geleidbaarheid van organische stoffen, echter, heeft het onderzoek vertraagd. Forrest gelooft dat deze ontdekking het spel kan veranderen. De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een studie die op 17 januari is gepubliceerd Natuur .

Het team toonde aan dat een dunne laag fullereenmoleculen - de merkwaardige ronde koolstofmoleculen die ook Buckyballs worden genoemd - elektronen in staat kunnen stellen tot enkele centimeters te reizen vanaf het punt waar ze door een foton worden losgeslagen. Dat is een dramatische stijging; in de organische cellen van vandaag, elektronen kunnen slechts een paar honderd nanometer of minder reizen.

elektronen, bewegen van het ene atoom naar het andere, vormen de elektrische stroom in een zonnecel of elektronische component. Materialen zoals silicium, gebruikt in de anorganische zonnecellen van vandaag en andere halfgeleiders, hebben nauw verbonden atomaire netwerken die het gemakkelijk maken voor elektronen om door het materiaal te reizen.

Maar organische materialen hebben veel lossere bindingen tussen individuele moleculen, die elektronen kunnen vangen. Dit is al lang een achilleshiel van organische stoffen, maar de nieuwe ontdekking laat zien dat het mogelijk is om hun geleidende eigenschappen voor specifieke toepassingen aan te passen.

Het vermogen om elektronen vrijer te laten bewegen in organische halfgeleiders kan verstrekkende gevolgen hebben. Bijvoorbeeld, het oppervlak van de huidige organische zonnecellen moet bedekt zijn met een geleidende elektrode die elektronen opvangt op het punt waar ze in eerste instantie worden gegenereerd. Maar vrij bewegende elektronen kunnen ver van hun oorsprong worden verzameld. Dit zou fabrikanten in staat kunnen stellen de geleidende elektrode te verkleinen tot een onzichtbaar raster, de weg vrijmaakt voor transparante cellen die op ramen en andere oppervlakken kunnen worden gebruikt.

"Deze ontdekking geeft ons in wezen een nieuwe knop om aan te draaien bij het ontwerpen van organische zonnecellen en andere organische halfgeleiderapparaten, " zei Quinn Burlingame, een UM elektrotechniek en computerwetenschappen afgestudeerde onderzoeker en auteur van de studie. "De mogelijkheid van elektronentransport over lange afstand opent veel nieuwe mogelijkheden in apparaatarchitectuur."

Burlingame zegt dat de eerste ontdekking van het fenomeen als een ongeluk kwam, aangezien het team aan het experimenteren was met organische zonnecelarchitectuur in de hoop de efficiëntie te verhogen. Met behulp van een veelgebruikte techniek genaamd vacuüm thermische verdamping, ze lagen in een dunne film van C60 fullerenen - elk gemaakt van 60 koolstofatomen - bovenop de energieproducerende laag van een organische cel, waar de fotonen uit zonlicht elektronen losmaken van hun geassocieerde moleculen. Bovenop de fullerenen, ze leggen nog een laag om te voorkomen dat de elektronen ontsnappen.

Ze ontdekten iets wat ze nog nooit eerder in een organisch materiaal hadden gezien:elektronen schoten ongehinderd door het materiaal, ook buiten het energieopwekkingsgebied van de cel. Door maanden van experimenteren, ze stelden vast dat de fullereenlaag een zogenaamde energiebron vormde - een gebied met lage energie dat voorkomt dat de negatief geladen elektronen recombineren met de positieve ladingen die achterblijven in de energieproducerende laag.

"Je kunt je een energiebron voorstellen als een soort kloof - elektronen vallen erin en kunnen er niet meer uit, " zei Caleb Cobourn, een afgestudeerde onderzoeker bij de UM-afdeling Natuurkunde en een auteur van het onderzoek. "Dus ze blijven vrij bewegen in de fullereenlaag in plaats van te recombineren in de energieproducerende laag, zoals ze normaal zouden doen. Het is als een enorme antenne die een elektronenlading van overal in het apparaat kan verzamelen."

Forrest waarschuwt dat wijdverbreid gebruik van de ontdekking in toepassingen zoals zonnecellen op dit moment theoretisch is. Maar, hij is enthousiast over de grotere implicaties van de ontdekking voor het begrijpen en exploiteren van de eigenschappen van organische halfgeleiders.

"Ik geloof dat alomtegenwoordige zonne-energie de sleutel is tot het voeden van onze constant opwarmende en steeds drukker wordende planeet, en dat betekent het plaatsen van zonnecellen op alledaagse voorwerpen zoals gevels en ramen van gebouwen, Forrest zei. "Technologie als deze zou ons kunnen helpen stroom te produceren op een manier die goedkoop en bijna onzichtbaar is."

De studie is getiteld "Centimeter-Scale Electron Diffusion in Photoactive Organic Heterostructures." Het onderzoek werd ondersteund door het US Department of Energy SunShot Program en door het Air Force Office of Scientific Research.