Organische zonnecellen (OSC's), die organische polymeren gebruiken om zonlicht om te zetten in elektriciteit, hebben veel aandacht gekregen vanwege hun wenselijke eigenschappen als energiebronnen van de volgende generatie. Deze eigenschappen omvatten het lichtgewicht karakter, flexibiliteit, schaalbaarheid en een hoge stroomconversie-efficiëntie (>19%). Momenteel bestaan ​​er verschillende strategieën om de prestaties en stabiliteit van OSC's te verbeteren. Een probleem dat echter blijft bestaan, is de moeilijkheid om de morfologie van de actieve laag in OSC's te beheersen bij het opschalen naar grote gebieden. Dit maakt het een uitdaging om dunne films met een actieve laag van hoge kwaliteit te verkrijgen en op zijn beurt de efficiëntie van het apparaat te verfijnen.

In een recente studie probeerde een team van onderzoekers van het Gwangju Institute of Science and Technology, Korea, dit probleem aan te pakken. In hun werk, gepubliceerd in Advanced Functional Materials , stelden ze een oplossing voor die op het eerste gezicht nogal contra-intuïtief lijkt:waterbehandeling gebruiken om de morfologie van de actieve laag te regelen.

"Het is bekend dat water de prestaties van organische elektronische apparaten belemmert, omdat het in de 'valtoestanden' van het organische materiaal blijft, de ladingsstroom blokkeert en de prestaties van het apparaat verslechtert. We dachten echter dat het gebruik van water in plaats van een organisch oplosmiddel - gebaseerde actieve oplossing als een medium van behandelingsmethode zou noodzakelijke fysieke veranderingen mogelijk maken zonder chemische reacties te veroorzaken", legt professor Dong-Yu Kim uit, die de studie leidde.

De onderzoekers kozen de polymeren PTB7-Th en PM6 als donormateriaal en PC₆₁ BM en EH-IDTBR en Y6 als acceptormaterialen voor de actieve laag. Ze merkten dat het induceren van een vortex om de donor- en acceptormaterialen in de actieve oplossing te mengen, kon leiden tot een goed gemengde actieve oplossing, maar het was op zichzelf niet voldoende.

De actieve oplossing was hydrofoob en daarom besloten de onderzoekers gedeïoniseerd (DI) water en wervels te gebruiken om de oplossing te roeren. Ze lieten de donor- en acceptormaterialen een nacht in chloorbenzeen (actieve gastheeroplossing) zitten en voegden vervolgens DI-water toe aan de oplossing en roerden het, waardoor kleine draaikolken ontstonden.

Vanwege de hydrofobe aard van de oplossing duwde het water tegen de donor- en acceptormoleculen, waardoor ze fijner oplosten in de oplossing. Vervolgens lieten ze de oplossing rusten, waardoor het water zich van de oplossing scheidde. Dit water werd vervolgens verwijderd en de met water behandelde actieve oplossing werd gebruikt om dunne films van PTB7-Th te maken:PC₆₁ BM (F, fullereen), PTB7-Th:EH-IDTBR (NF, fullereen) en PM6:Y6 (H-NF, hoogrenderend niet-fullereen).

De onderzoekers onderzochten vervolgens de fotovoltaïsche prestaties van deze dunne films in een omgekeerde OSC-configuratie met slot-die-coating en vergeleken ze met die voor OSC's zonder waterbehandeling.

"We hebben waargenomen dat de met water behandelde actieve oplossing leidde tot een meer uniforme actieve laag dunne films, die een hogere energieconversie-efficiëntie vertoonden in vergelijking met die welke niet met water waren behandeld. Bovendien hebben we OSC-modules met een groot oppervlak gefabriceerd met een actief gebied van 10 cm ² , die een conversie-efficiëntie van maar liefst 11,92% liet zien voor met water behandelde H-NF-films", zegt prof. Kim. + Verken verder

Meer dan 14% efficiëntie voor ternaire organische zonnecel met 300 nm dikke actieve laag