Simulaties onthullen efficiëntiedoelen en ontwerpregels om de omzetting van licht in elektriciteit te maximaliseren met behulp van organische zonnecellen.

Organische zonnecellen kunnen binnenkort concurreren met traditionele op silicium gebaseerde fotovoltaïsche technologieën op het gebied van conversie-efficiëntie. Een team van het KAUST Solar Center heeft een computationele benadering ontwikkeld die praktische prestatiedoelen en nuttige regels biedt om materiaalsystemen voor optimale organische zonnecellen te helpen ontwerpen en ontwikkelen.

De meeste zonnepanelen zijn afhankelijk van anorganische halfgeleiders om zonlicht te oogsten en om te zetten in elektriciteit. Organische fotovoltaïsche materialen, echter, zijn naar voren gekomen als lichtgewicht, goedkope alternatieven. Deze materialen zijn eenvoudig op grote schaal af te stemmen en te verwerken, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor industriële productie en commercialisering.

State-of-the-art organische zonnecellen vertrouwen op bulk heterojuncties, die lichtgevoelige elektronendonor- en acceptormaterialen combineren om een ​​actieve laag te vormen. Blootstelling aan zonlicht creëert een aangeslagen toestand die elektronenparen en positief geladen gaten genereert, die verantwoordelijk zijn voor elektrische stroom. Deze ladingdragers moeten uit elkaar worden gehouden, die afhankelijk is van de elektronendonor- en acceptormaterialen.

Op fullereen gebaseerde acceptormaterialen hebben gedurende bijna twee decennia organische zonnecellen opgeleverd met een ongeëvenaarde conversie-efficiëntie. Toch hebben deze materialen verschillende nadelen, zoals hoge spanningsverliezen en slechte absorptie van het zonnespectrum, die de efficiëntie hebben beperkt tot 11 procent. In de tussentijd, niet-fullereen-alternatieven hebben recentelijk beter gepresteerd dan alle bestaande op fullereen gebaseerde cellen, echter, een gebrek aan begrip van de elementen die de conversie-efficiëntie van deze cellen regelen, heeft de verdere verbetering van de celprestaties beperkt.

Thomas Anthopoulos en collega's gebruikten computersimulaties om de invloed van verschillende belangrijke parameters te beoordelen, inclusief de absorptie en dikte van de actieve laag, mobiliteit van ladingdragers en snelheid van ladingsrecombinatie, over de prestaties van niet-fullereen organische zonnecellen.

Postdoctoraal onderzoeker Yuliar Firdaus legt uit dat de simulaties het effect van deze parameters expliciet behandelen. Daarom, de berekende celefficiëntielimiet is vergelijkbaar met de efficiëntie die niet-fullereen-gebaseerde cellen realistisch kunnen bereiken met voortdurende materiële verbetering.

De onderzoekers ontdekten dat niet-fullereen-gebaseerde cellen efficiënties van meer dan 18 procent konden realiseren, zelfs met de gemakkelijk bereikbare ladingsmobiliteit in bestaande materiaalsystemen. De efficiëntie zou zelfs de 20 procent kunnen overtreffen met hoge en gebalanceerde elektronen- en gatenmobiliteit geassocieerd met lage recombinatiesnelheidsconstanten. "Ik ben ervan overtuigd dat de niet-fullereen-gebaseerde cellen binnenkort deze berekende efficiëntielimieten zullen bereiken, ' zegt Firdaus.

"We werken momenteel op verschillende fronten, zoals het ontwikkelen van nieuwe grensvlaklagen en doteringsformules, met behoud van hetzelfde primaire doel:de efficiëntie van organische zonnecellen dichter bij de praktische limieten brengen die in onze studie zijn geïdentificeerd, ' zegt Firdaus.