Een elektronische mismatch in de paren van materialen die worden gebruikt om organische zonnecellen te maken, kan de celwerking verbeteren, hebben KAUST-onderzoekers aangetoond. De verrassende bevinding - gepubliceerd in Advanced Materials en gemaakt na een uitgebreide heranalyse van ultramoderne organische zonnematerialen - zou onderzoekers in staat moeten stellen nieuwe organische formuleringen met sterke zonnecelprestaties te voorspellen.

De lichtvangende laag van organische zonnecellen bestaat meestal uit een mengsel van twee componenten dat een donor-acceptormengsel wordt genoemd. In zonlicht kan de binnenkomende energie elektronen prikkelen om tussen verschillende energieniveaus in het mengsel te springen, wat suggereert dat de afstemming van het energieniveau tussen de donor en de acceptorcomponent essentieel zou moeten zijn voor de prestaties van het apparaat. Verschillende onderzoeksgroepen hebben echter verschillende methoden gebruikt om energieniveaus te meten en hebben tegenstrijdige resultaten opgeleverd over het effect van afstemming van energieniveaus.

"We wilden de oorsprong van dit tegenstrijdige begrip begrijpen", zegt Anirudh Sharma, een postdoc in het laboratorium van Derya Baran, die het werk leidde. "Dit motiveerde ons om de energieniveaus van organische zonnecelmaterialen te bestuderen met behulp van verschillende methoden om betekenisvolle relaties tussen materiaal en eigendom tot stand te brengen", zegt hij.

Het team bepaalde de energieniveaus van 33 organische zonnematerialen met behulp van vier verschillende technieken. "Onze bevindingen tonen aan dat de energieniveaus van organische halfgeleiders gemeten met behulp van foto-elektron en lage-energetische inverse foto-elektronspectroscopie nauw correleren met de eigenschappen van zonnecellen", zegt Jules Bertrandie, een Ph.D. student in de groep van Baran. Hij merkt op dat cyclische voltammetrie daarentegen misleidende resultaten opleverde in de context van de energieniveaus van zonnecellen.

Nadat de beste methoden voor de meting waren vastgesteld, analyseerde het team de uitlijning van het energieniveau in 12 organische donor-acceptor-zonnecelmengsels. De resultaten toonden aan - in tegenstelling tot de huidige overtuiging - dat mengsels met weinig tot geen verschil in één energieniveau-metriek, bekend als de ionisatie-energie, slechte presteerders waren. De best presterende organische zonnecellen hadden een significant verschil in ionisatie-energie tussen de donor- en de acceptorcomponent in het mengsel.

"We waren niet verrast dat ons voorstel voor een nieuw type meting van het energieniveau betrouwbaarder zou zijn, maar we waren verrast dat onze hypothese onthulde dat wat in de literatuur algemeen wordt aangenomen, eigenlijk niet waar is", zegt Baran. "Deze methode heeft een enorm potentieel om nieuwe donor-acceptorpaarsystemen aan het licht te brengen die goed zouden kunnen werken in organische zonnecellen en die ook zouden aangeven welke paren niet zullen werken", voegt ze eraan toe.

De betekenis van het resultaat reikt verder dan zonneonderzoek, merkt Sharma op. "De implicaties van deze studie zijn relevant voor een groter gebied van organische elektronica in het algemeen", zegt hij. + Verder verkennen

In kaart brengen hoe energie stroomt in organische zonnecellen