Organische fotovoltaïsche installaties hebben opmerkelijk hoge efficiënties bereikt, maar het vinden van optimale combinaties van materialen voor hoogwaardige organische zonnecellen, die ook economisch concurrerend zijn, vormt nog steeds een uitdaging. Onderzoekers uit de Verenigde Staten en China hebben nu een innovatief tussenlaagmateriaal ontwikkeld om de stabiliteit van het apparaat en de elektrodeprestaties te verbeteren. In het journaal Angewandte Chemie , de auteurs beschrijven hun met fullereen verrijkte, gemakkelijk verwerkbaar ioneenpolymeer, die de energieconversie-efficiëntie van organische zonnecellen verhoogt.

In tegenstelling tot gewone zonnecellen op basis van silicium, organische fotovoltaïsche zonne-energie (OPV's) betrekken organische moleculen bij de opwekking van zonne-energie. Materialen in OPV's zijn overvloedig en verwerkbaar, goedkoop en lichtgewicht, en de modules kunnen flexibel en met afstembare eigenschappen worden gemaakt. Het grootste nadeel van dergelijke materialen is dat het bereiken van een lange levensduur en hoge prestaties uitgebreide instellingen en architecturen vereist. Geoptimaliseerde combinaties van materialen die bij de elektroden passen, blijven ongrijpbaar.

Zilver- of goudmetalen vormen luchtstabiel, verwerkbare kathoden, maar ze verlagen ook het potentieel van het apparaat. Om dit probleem op te lossen, Yao Lui aan de Beijing University of Chemical Technology (China), en Thomas Russell en Todd Emrick aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst (VS), en hun onderzoeksgroepen, hebben een nieuw polymeer materiaal ontwikkeld om als tussenlaag tussen de elektrode en de actieve laag te dienen. Deze tussenlaag moet geleidend zijn en moet de werkfunctie van de kathode verlagen door een grensvlakdipool te verschaffen.

Als tussenlaag materiaal, de onderzoekers onderzochten een nieuwe klasse van geladen polymeren, de ioneenpolymeren. "Ioneenpolymeren zijn polykationen waarin de geladen delen zich in de polymeerruggengraat bevinden in plaats van als hangende groepen, " leggen de auteurs uit. Dit leidt tot een hogere ladingsverdeling dan in conventionele kationische polymeren, en bovendien, betere afstembaarheid. Ioneenpolymeren zorgen voor een bruikbare grensvlakdipool, maar alleen, ze missen de vereiste geleidbaarheid.

Daarom, de auteurs namen fullerenen op in het structurele raamwerk van de polymeerlaag. Zogenaamde "bucky balls" - fullereenbollen die uitsluitend van koolstof zijn gemaakt - worden al gebruikt als algemene acceptormoleculen in OPV-apparaten. Ze zijn zeer geleidend en hebben vele andere gunstige eigenschappen.

De wetenschappers bereidden het fullereen-ioneen tussenlaagmateriaal voor door te innoveren op conventionele stap-groeipolymerisatiechemie met nieuwe, functionele monomeren. Ze assembleerden de OPV-apparaten en voegden een tussenlaag toe. Het resultaat was een indrukwekkende verhoging van de efficiëntie van de stroomconversie - gemiddeld drievoudig - in vergelijking met apparaten zonder de tussenlaag. Rendementen van meer dan 10% wijzen op verdere toepasbaarheid van deze modulaire apparaten.

Dit werk laat zien dat een relatief eenvoudige wijziging van de samenstelling van materialen de efficiëntie in organische elektronica kan verbeteren en intrinsieke problemen kan overwinnen die verband houden met de combinatie van harde (elektroden) en zachte (actief-gelaagde) materialen.