Zonnecellen hebben een groot potentieel als bron van schone elektrische energie, maar tot nu toe waren ze niet goedkoop, licht, en flexibel genoeg voor wijdverbreid gebruik. Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Tandon Associate Professor André D. Taylor van de afdeling Chemical and Biomolecular Engineering een innovatieve en veelbelovende manier gevonden om zonnecellen te verbeteren en hun gebruik in veel toepassingen waarschijnlijker te maken.

De meeste organische zonnecellen gebruiken fullerenen, bolvormige koolstofmoleculen. Het probleem, legt Taylor uit, is dat fullerenen duur zijn en niet genoeg licht absorberen. In de afgelopen 10 jaar heeft hij aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verbeteren van organische zonnecellen, en hij heeft zich recentelijk gericht op het gebruik van niet-fullerenen, die tot nu toe inefficiënt waren. Echter, hij zegt, "de niet-fullerenen verbeteren genoeg om fullerenen een run voor hun geld te geven."

Zie een zonnecel als een sandwich, zegt Taylor. De "vlees" of actieve laag - gemaakt van elektronendonoren en -acceptoren - bevindt zich in het midden, zonlicht absorberen en omzetten in elektriciteit (elektronen en gaten), terwijl het "brood, " of buitenlagen, bestaan ​​uit elektroden die die elektriciteit transporteren. Het doel van zijn team was om de cel licht te laten absorberen over een zo groot mogelijk spectrum met behulp van een verscheidenheid aan materialen, laat deze materialen tegelijkertijd goed samenwerken. "Mijn groep werkt aan de belangrijkste onderdelen van de 'sandwich, ' zoals de elektronen- en gatentransporterende lagen van het 'brood, ' terwijl andere groepen mogelijk alleen aan het 'vlees' of tussenlaagmaterialen werken. De vraag is:hoe krijg je ze samen aan het spelen? De juiste mix van deze ongelijksoortige materialen is buitengewoon moeilijk te bereiken."

Het op een nieuwe manier gebruiken van een squaraine-molecuul - als kristallisatiemiddel - deed de truc. "We hebben een klein molecuul toegevoegd dat op zichzelf als elektronendonor fungeert en de absorptie van de actieve laag verbetert, " legt Taylor uit. "Door dit kleine molecuul toe te voegen, het vergemakkelijkt de oriëntatie van het donor-acceptorpolymeer (PBDB-T genaamd) met de niet-fullereenacceptor, ITIC, in een gunstige regeling."

Deze zonne-architectuur maakt ook gebruik van een ander ontwerpmechanisme dat de Taylor-groep pionierde, bekend als een op FRET gebaseerde zonnecel. TOBBEN, of Förster resonantie energieoverdracht, is een mechanisme voor energieoverdracht dat voor het eerst werd waargenomen bij fotosynthese, waardoor planten zonlicht gebruiken. Met behulp van een nieuw mengsel van polymeer en niet-fullereen met squaraine, het team zette meer dan 10 procent van de zonne-energie om in stroom. Nog maar een paar jaar geleden werd dit als een te verheven doel voor single-junction polymeer zonnecellen beschouwd. "Er zijn nu nieuwere polymere niet-fullereensystemen die meer dan 13 procent kunnen presteren, daarom beschouwen we onze bijdrage als een haalbare strategie om deze systemen te verbeteren, "zegt Taylor.

De organische zonnecellen die door zijn team zijn ontwikkeld, zijn flexibel en kunnen ooit worden gebruikt in toepassingen die elektrische voertuigen ondersteunen, draagbare elektronica, of rugzakken om mobiele telefoons op te laden. Eventueel, ze zouden een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de levering van elektrische energie. "We verwachten dat deze methode met kristallisatiemiddel de aandacht zal trekken van chemici en materiaalwetenschappers die zijn gelieerd aan organische elektronica, " zegt Yifan Zheng, Taylor's voormalige onderzoeksstudent en hoofdauteur van het artikel over het werk in het tijdschrift Materialen vandaag .

Volgende voor het onderzoeksteam? Ze werken aan een type zonnecel, een perovskiet genaamd, en gaan door met het verbeteren van niet-fullereen organische zonnecellen.