Organische zonnecellen, gemaakt van op koolstof gebaseerde materialen, unieke voordelen bieden in vergelijking met andere zonneceltechnologieën. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden vervaardigd door middel van goedkope printtechnologieën, en ze kunnen semi-transparant worden gemaakt met selecteerbare kleuren, die architectonisch kan worden gebruikt bij de integratie van gebouwen. Hun flexibiliteit en lage gewicht maken ze perfect voor het aandrijven van de sensoren voor internet of things-toepassingen.

Een belangrijke uitdaging voor de ontwikkeling van organische zonnecellen is dat ze meestal grote energieverliezen hebben. Nutsvoorzieningen, 25 onderzoekers van zeven onderzoeksinstituten hebben regels opgesteld voor het ontwerpen van hoogrenderende organische zonnecellen. Het onderzoek wordt geleid door Feng Gao, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Linkoping, Zweden.

"We hebben een aantal rationele ontwerpregels geformuleerd om energieverliezen in organische zonnecellen te minimaliseren. Door deze regels te volgen, we presenteren een reeks voorbeelden met lage energieverliezen en hoge stroomconversie-efficiënties, " zegt Feng Gao, universitair hoofddocent bij de afdeling Biomoleculaire en Organische Elektronica aan de Universiteit van Linkoping.

De ontwerpregels, die een aantal eerder gekoesterde ideeën uitdagen, zijn gepubliceerd in een artikel in het prestigieuze tijdschrift Natuurmaterialen .

Met behulp van deze ontwerpregels, organische zonnecellen beloven hun concurrenten in te halen op het gebied van energieconversie-efficiëntie, die de fractie meet van de energie in de zonnestraling die wordt omgezet in elektriciteit. De theoretische grens voor de fractie van de zonne-energie die in zonnecellen kan worden verkregen, ligt rond de 33 procent. Laboratoriumexperimenten met op silicium gebaseerde zonnecellen hebben op zijn best 25 procent behaald. Onderzoekers dachten tot nu toe dat de grens voor organische zonnecellen lager ligt.

"Maar we weten nu dat er geen verschil is - de theoretische limiet is hetzelfde voor zonnecellen gemaakt van silicium, perovskieten of polymeren, " zegt Olle Inganas, hoogleraar biomoleculaire en organische elektronica, Linköping universiteit.

Wanneer fotonen van de zon worden geabsorbeerd door het halfgeleidende polymeer in een zonnecel, elektronen in het donormateriaal worden in een aangeslagen toestand gebracht, en gaten worden gevormd in de grondtoestand waarnaar de elektronen aangetrokken blijven. Om deze gebonden elektronen en gaten te scheiden, een acceptormateriaal wordt toegevoegd. Echter, dit acceptormateriaal leidt meestal tot extra energieverliezen, een probleem dat de organische zonnecelgemeenschap al meer dan twee decennia dwarszit.

Het artikel in Natuurmaterialen presenteert twee fundamentele regels om energieverliezen voor zeer efficiënte organische zonnecellen te minimaliseren:

• Minimaliseer de energiecompensatie tussen donor- en acceptorcomponenten.
• Zorg ervoor dat de component met een lage opening in het mengsel een hoge fotoluminescentie heeft.

De onderzoekers van de zeven onderzoeksinstituten in de VS, China en Europa hebben samen een tiental materialen geproduceerd, waarvan sommige al eerder zijn gemeld en andere die volledig nieuw zijn. Ze hebben deze gebruikt om aan te tonen dat de nieuwe theorie overeenkomt met experimentele resultaten, ook al is het enigszins onverenigbaar met wat eerder werd aangenomen.