Begrijpen hoe deeltjes door een apparaat reizen, is van vitaal belang voor het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen. Onderzoekers van KAUST, werken met een internationaal team van wetenschappers, hebben nu een reeks ontwerprichtlijnen ontwikkeld om de prestaties van moleculaire materialen te verbeteren.

Wanneer een pakje licht, of foton, wordt geabsorbeerd door een halfgeleider, het genereert een paar deeltjes dat bekend staat als een exciton. Een elektron is een onderdeel van dit paar; de andere is zijn positief geladen equivalent, een gat genoemd. Excitaties zijn elektrisch neutraal, dus het is onmogelijk om ze in beweging te zetten door een elektrisch veld aan te leggen. In plaats daarvan "hopen" de excitonen door een willekeurige beweging of diffusie. De dissociatie van de excitonen in ladingen is noodzakelijk om een ​​stroom te creëren, maar is hoogst onwaarschijnlijk in een organische halfgeleider.

"Dus typisch we moeten twee halfgeleiders mengen, een zogenaamde elektronendonor en een elektronenacceptor, om efficiënt gratis kosten te genereren, " legt Yuliar Firdaus uit. "Het donor- en acceptormateriaal dringen in elkaar door; het maximaliseren van de exciton-diffusielengte - de afstand die het exciton kan afleggen voordat het recombineert en verloren gaat - is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties van de organische zonnecel.

Veel eerdere organische zonnecellen werden gemaakt door een polymeer te mengen met moleculen, bekend als fullerenen. Maar meer recentelijk het vervangen van het fullereen door andere organische materialen zoals niet-fullereen kleine moleculen zorgde voor indrukwekkende verbeteringen in de efficiëntie van het apparaat.

Firdaus en collega's combineerden metingen van de fotostroom met ultrasnelle spectroscopie om de diffusielengte van een grote verscheidenheid aan niet-fullereenmoleculen te berekenen. Ze observeerden zeer lange exciton-diffusielengtes, in het bereik van 20 tot 47 nanometer - een verbetering ten opzichte van het bereik van 5 tot 10 nanometer dat kenmerkend is voor fullerenen.

Om deze verbetering beter te begrijpen, het team vergeleek gegevens die de kristallografische structuur van de moleculen beschrijven met kwantumchemische berekeningen. Op deze manier konden ze belangrijke relaties tussen de chemische structuur van het molecuul en de diffusielengte identificeren. Met deze verbindingen tot stand gebracht, de wetenschappers ontwikkelden een reeks regels om te helpen bij de synthese van verbeterde materialen en, uiteindelijk, helpen bij het ontwerpen van organische fotovoltaïsche apparaten met verbeterde conversie-efficiëntie.

"Volgende, we zijn van plan te onderzoeken hoe filmverwerkingsprocessen de excitonoverdrachtssnelheid van de bestaande kleine-molecuulacceptoren kunnen beïnvloeden, " zegt Firdaus. "We zijn ook geïnteresseerd in het vertalen van de moleculaire ontwerpregels om nieuwe acceptormaterialen met betere prestaties te synthetiseren."