Wetenschappers van de TU Dresden en de Universiteit Hasselt in België onderzochten de fysieke oorzaken die de efficiëntie van nieuwe zonnecellen op basis van organische moleculaire materialen beperken. Momenteel, de spanning van dergelijke cellen is nog steeds te laag - een reden voor hun nog steeds relatief lage efficiëntie.

In hun studie hebben door de trillingen van de moleculen in de dunne films te onderzoeken, konden de wetenschappers aantonen dat zeer fundamentele kwantumeffecten, zogenaamde nulpunttrillingen, kan een belangrijke bijdrage leveren aan spanningsverliezen. De studie is nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Zonnecellen zijn een kristallisatiepunt van hoge verwachtingen voor de noodzakelijke transformatie van de wereldwijde energieproductie. Organische fotovoltaïsche energie (OPV), die gebaseerd is op biologische, d.w.z. op koolstof gebaseerde materialen, zou bij uitstek geschikt kunnen zijn om een ​​belangrijke pijler te worden in de energiemix van de "hernieuwbare energiebronnen", omdat ze een betere ecologische balans hebben in vergelijking met conventionele op silicium gebaseerde modules en er slechts een kleine hoeveelheid materiaal nodig is om de dunne films te produceren. Echter, een verdere verhoging van de efficiëntie is noodzakelijk. Het is gebaseerd op verschillende karakteristieke waarden zoals de nullastspanning, waarvan de te lage waarden momenteel een hoofdreden zijn voor de nog steeds vrij matige efficiëntie van OPV.

De studie onderzocht fysieke redenen hiervoor, waaronder de trillingen van de moleculen in de dunne films. Er werd aangetoond dat de zogenaamde nulpunttrillingen - een effect van de kwantumfysica dat de beweging bij absolute temperatuur nul karakteriseert - een significante invloed kunnen hebben op spanningsverliezen. Een directe relatie tussen moleculaire eigenschappen en macroscopische apparaateigenschappen werd aangetoond. De resultaten leveren belangrijke informatie op voor de verdere ontwikkeling en verbetering van nieuwe organische materialen.

De lage energierand van optische absorptiespectra is cruciaal voor de prestaties van zonnecellen, maar in het geval van organische zonnecellen met veel beïnvloedende factoren is het nog niet goed begrepen. In de huidige studie, de microscopische oorsprong van absorptiebanden in moleculaire mengsystemen en hun rol in organische zonnecellen werd onderzocht. De nadruk lag op de temperatuurafhankelijkheid van de absorptie-eigenschappen, die theoretisch werd onderzocht met inachtneming van moleculaire trillingen. De simulaties kwamen goed overeen met de experimenteel gemeten absorptiespectra wat leidt tot een aantal belangrijke bevindingen.

De auteurs ontdekten dat de nulpunttrillingen, gemedieerd door elektron-fonon interactie, een aanzienlijke absorptiebandbreedte veroorzaken. Dit leidt tot het opnieuw vrijgeven van een deel van de energie dat niet wordt gebruikt en vermindert dus de nullastspanning. Deze spanningsverliezen kunnen nu worden voorspeld uit elektronische en vibronische moleculaire parameters. Bijzonder is dat dit effect zelfs bij kamertemperatuur sterk is en het rendement van de organische zonnecel aanzienlijk kan verminderen. Welke strategieën om deze door trillingen veroorzaakte spanningsverliezen te verminderen, kunnen worden toegepast, wordt door de auteurs besproken voor een groter aantal systemen en verschillende heterojunctie-geometrieën.