Een internationaal team van materiaalwetenschappers uit Frankrijk, Rusland en Kazachstan hebben een manier gevonden om de efficiëntie van organische zonnecellen meerdere keren te verhogen. De nieuwe studie, gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A , heeft aangetoond dat geordende structuren op basis van organische moleculen kunnen worden gebruikt om zonne-energie te produceren.

Zonnepanelen, of batterijen, zijn een van de meest veelbelovende manieren om elektrische energie op te wekken. Vanaf 2017, het gecombineerde vermogen van wereldwijd geïnstalleerde zonnepanelen bedroeg 400 gigawatt. De zonne-energiesector maakt een snelle groei door, die afhankelijk is van goedkopere en efficiëntere batterijen.

Een manier om zonne-energiesystemen te verbeteren, is door nieuwe materialen te introduceren. De basiselementen van een zonnepaneel dat licht omzet in elektriciteit zijn fotovoltaïsche cellen, of zonnecellen. Ze zijn meestal gemaakt van polysilicium - een zeer zuivere polykristallijne vorm van silicium. Maar wetenschappers zijn druk op zoek naar alternatieve materialen. Organische polymeren met fotovoltaïsche eigenschappen zijn een van de belangrijkste kandidaten om polysilicium te vervangen.

Een team van onderzoekers uit Frankrijk (de Universiteit van Straatsburg, Universiteit van Lyon, Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse, Synchrotron SOLEIL), Rusland (Moskou Instituut voor Natuurkunde en Technologie, Staatsuniversiteit van Moskou), en Kazachstan (Nazarbayev University) heeft een manier beschreven om de efficiëntie van organische zonnecellen te verhogen door fluoratomen in het polymeer op te nemen. Dit proces, bekend als fluorering, eerder werd aangetoond dat het de fotovoltaïsche eigenschappen van polymeer verbetert, maar het mechanisme werd slecht begrepen. De nieuwe studie verduidelijkt het effect van fluorering op de celefficiëntie.

Door te experimenteren met verschillende polymeermodificaties, het team verhoogde de celefficiëntie van 3,7 naar 10,2 procent. Hoewel dit nog steeds niet voldoet aan de commerciële silicium fotovoltaïsche zonne-energie, de enorme winst in efficiëntie suggereert dat op polymeren gebaseerde cellen een technologie zijn waarmee rekening moet worden gehouden. Misschien kunnen organische zonnecellen met verdere aanpassingen beter presteren dan hun op polysilicium gebaseerde tegenhangers.

Het in het experiment gebruikte generieke polymeer heeft een nogal complexe moleculaire structuur. Het bestaat uit een keten van zich herhalende eenheden die wordt weergegeven in het linkerdeel van figuur 1. Elk van hen omvat heterocyclische zwavelringen - ringen gemaakt van één zwavel- en vier koolstofatomen - en koolwaterstofzijketens met een vertakte structuur.

De onderzoekers hebben een aantal modificaties van dit polymeer gemaakt om te ontdekken welke betere fotovoltaïsche eigenschappen heeft. Ze veranderden de structuur door fluoratomen toe te voegen (figuur 1, rechts) en het variëren van de lengte van de zijketens. Eén polymeerconfiguratie bleek te resulteren in enorm superieure eigenschappen. Namelijk, het celrendement en de stroomoutput waren meerdere malen hoger.

Het team onderzocht vervolgens de microscopische structuur van de best presterende verbinding. Röntgenanalyse toonde aan dat polymeerstapeling meer geordend was. Ook, de moleculen werden gekenmerkt door een hogere mobiliteit van ladingsdragers, waardoor het materiaal elektriciteit beter geleidt. Voor een zonnecel dit is duidelijk een voordeel.

Co-auteur van de studie Professor Dimitri Ivanov wees op de technologische voordelen van de organische zonnecellen. Hij zei dat ze in minder fasen kunnen worden vervaardigd, vergeleken met conventionele silicium fotovoltaïsche cellen. De lichtabsorberende polymeren kunnen ook als dunne film fungeren, wat betekent dat de zonnepanelen niet plat hoeven te zijn.

"Bijvoorbeeld, je zou organische zonnebatterijen kunnen deponeren op dakpannen, " voegt Ivanov toe, die aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Functionele Organische en Hybride Materialen bij MIPT en onderzoeksdirecteur is bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek.

Volgens Ivanov, wat de studie uitdagend maakte, was de "noodzaak om de efficiëntie van zonnecellen te optimaliseren door de juiste moleculaire energieniveaus van de donor en de acceptor te kiezen, terwijl ook de juiste supramoleculaire structuur wordt gecreëerd die het ladingstransport naar de elektroden zou vergemakkelijken."