Inzicht in energieverliezen die de omzetting van licht in elektriciteit beïnvloeden, kan de efficiëntie van organische zonnecellen helpen verbeteren. Een door KAUST geleid team van organische chemici, materiaal ingenieurs, spectroscopistes en theoretisch fysici van zes onderzoeksgroepen hebben efficiëntiebeperkende processen in organische fotovoltaïsche systemen uitgebreid geëvalueerd.

Om licht te oogsten, geavanceerde organische zonnecellen vertrouwen op bulk heterojuncties, mengsels van op licht reagerende elektronendonor- en acceptormaterialen. Als het licht op de heterojunctie valt, de resulterende aangeslagen toestanden zijn elektronenparen en positief geladen gaten die moeten worden gescheiden om elektrische stroom te maken. Tijdens ladingsscheiding, de donor geeft elektronen af ​​aan de acceptor, en de acceptor draagt ​​gaten over aan de donor. Daarom, de efficiëntie van de zonnecellen hangt af van twee sleutelfactoren:de elektronenaffiniteitsverschuiving tussen deze materialen, wat overeenkomt met het vermogen van de acceptor om een ​​elektron te krijgen en elektronenoverdracht stimuleert; en de ionisatie-energiecompensatie, die de neiging van de donor vertegenwoordigt om een ​​elektron vrij te geven, het vergemakkelijken van de overdracht van gaten.

Nonfullerene acceptoren (NFA's) hebben onlangs zonnecellen opgeleverd met een conversie-efficiëntie van bijna 20 procent, beter presteren dan op fullereen gebaseerde acceptors die eerder hadden gedomineerd. "De sleutel tot deze recordrendementen is het ontwerp en de synthese van materialen die efficiënte opwekking van lading combineren met minimale energieverliezen, " legt teamleider Frédéric Laquai uit. "Echter, de precieze rol van de energiecompensaties en hun gerelateerde processen is onduidelijk, waardoor de ontwikkeling van ontwerpregels voor op NFA gebaseerde systemen is gestagneerd", voegt hij eraan toe.

Dit behandelen, het multidisciplinaire team bedacht een aanpak om de fotofysische processen te monitoren die de ladingsgeneratie beïnvloeden in 23 verschillende NFA-gebaseerde systemen. "Met onze medewerker Denis Andrienko van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Duitsland, we ontwikkelden een beknopt model waarmee we onze experimentele waarnemingen konden correleren met fysische parameters en chemische structuren, " zegt onderzoeker, Julien Gorenflot.

De onderzoekers ontdekten dat, in tegenstelling tot recente berichten, aanzienlijke ionisatie-energiecompensaties waren nodig om ladingen te genereren. In tegenstelling tot, elektronenaffiniteitsoffsets slaagden er niet in om ladingsscheiding te induceren, ongeacht hun grootte. Deze onverwachte bevindingen zijn het resultaat van een proces dat bekend staat als Förster-resonantie-energieoverdracht, die lijkt te concurreren met elektronenoverdracht. Postdoc Catherine De Castro legt uit dat "dit een onmiddellijk gevolg is van het ontwerpprincipe van de melanges, waar donor en acceptor overlappende emissie en absorptie vertonen, wat de overdracht van energie vergemakkelijkt."

Het team is van plan om nieuwe materialen te ontwerpen die een verbeterde efficiëntie van de opwekking van ladingen combineren met minder energieverliezen. "Dit zal helpen de efficiëntiekloof met andere opkomende fotovoltaïsche technologieën te verkleinen en organische fotovoltaïsche energie dichter bij volwassenheid en toepassing te brengen, ' zegt Gorenflot.

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .