Organische zonnecellen hebben het potentieel om een ​​bron van hernieuwbare energie te worden die goedkoop en snel kan worden uitgerold en opgeschaald. Natuurkundigen van de Universiteit van Oxford hebben enkele van de wetenschappelijke fundamenten onderzocht van hoe deze cellen zich vormen en presteren.

Zonne-energie is momenteel goed voor minder dan 2% van de wereldwijd opgewekte elektriciteit, maar zou een grote bijdrage kunnen leveren aan duurzaamheid. Om schaal te bereiken, wordt deze over een groot oppervlak ingezet. "We hebben enkele duizenden vierkante kilometers nodig om een ​​deuk in de energievoorziening van de wereld te maken, dus het vermogen om snel en tegen lage kosten op te schalen is van vitaal belang, " zegt professor Moritz Riede, de hoofdonderzoeker voor OSC Go en universitair hoofddocent zachte functionele nanomaterialen in Oxford. "Je wilt graag op een goedkope en snelle manier vierkante kilometers kunnen bekleden met zonnecellen."

De meeste commercieel beschikbare zonnestelsels zijn gebaseerd op halfgeleiders van anorganisch silicium. Biologisch, op koolstof gebaseerde fotovoltaïsche energie kan tal van voordelen bieden - ze zijn lichtgewicht en flexibel, kan in verschillende kleuren komen, en zijn goedkoop gemaakt, met behulp van lage temperatuur processen. Helaas, momenteel zijn ze ook een stuk minder efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit dan conventionele op silicium gebaseerde systemen.

Het OSC Go-team heeft de afgelopen vier jaar enkele van de fundamentele vragen onderzocht over hoe organische zonnecellen (OSC's) worden gemaakt om hun prestaties te verbeteren.

Depositie observeren

Structuur-eigenschap relaties zijn een belangrijk aandachtspunt van hun onderzoek geweest, aangezien de rangschikking van de moleculen in een organische zonnecel een grote invloed kan hebben op de prestaties ervan. Het team bedacht manieren om licht van verschillende golflengten - van röntgenstraling tot nabij-infrarood - te gebruiken om te onderzoeken hoe de moleculen zich in dunne films rangschikken. "Dit wordt meestal onderzocht wanneer het volledig is gevormd, nadat het proces voorbij is, maar we kunnen de moleculen bekijken tijdens het depositieproces, " zegt prof. Riede, "zodat we kunnen zien hoe de moleculen inpakken en wat we kunnen doen om hun rangschikking te manipuleren."

Met behulp van Fullereen C60, een materiaal dat vaak wordt gebruikt om OSC's te maken, het team is erin geslaagd te observeren hoe defecten zich in deze dunne films kunnen vormen en zelfs het resultaat kunnen beïnvloeden. "We hebben C-stapelfouten waargenomen in een bepaalde moleculaire richting, " zegt prof. Riede, "Dat gaf ons een belangrijk datapunt op structureel niveau om te interpreteren hoe dergelijke apparaten presteren."

Geweldige rolmodellen

In een organische zonnecel zonlicht wordt geabsorbeerd in de fotoactieve lagen, meestal bestaande uit een mix van twee materialen - elektronendonoren en acceptormoleculen - waar het wordt omgezet in elektriciteit. De OSC Go-onderzoekers hebben tijd besteed aan het evalueren van de prestaties van verdunde heterojunctie-zonnecellen - degenen met een donorgehalte van 5% of minder.

"Deze apparaten bleken verrassend goed te werken, " zegt prof. Riede, "Dus we hebben in pure C60-cellen gekeken om te zien hoe de moleculen zich verpakken en hoe ze zich verpakken en presteren in de aanwezigheid van andere moleculen. Deze apparaten zijn uitstekende modelsystemen en we hebben geprobeerd de microstructurele resultaten samen te voegen met fotofysische."

Het effect van veranderingen in de microstructuur op de prestaties van apparaten was een derde onderzoeksgebied. In samenwerking met chemiebedrijf Merck, het team onderzocht wat er gebeurt als de OSC-film wordt blootgesteld aan hoge temperaturen of gedurende lange tijd wordt blootgesteld aan zonlicht, die ze tijdens de operatie zullen doen. "We hebben de veranderingen in microstructuur gemeten met röntgenstralen en andere methoden en waren in staat om deze veranderingen te relateren aan veranderingen in de prestaties van OSC's, " zegt prof. Riede, "Dus dit stelt ons in staat om te zoeken naar manieren om dat te remmen."

Een beter begrip van wat er gaande is op nanoschaal zal zeer nuttig zijn als het gaat om het kiezen van welke materialen te gebruiken voor het maken van efficiënte OSC's, Prof. Riede meent.

"Er is een overvloed aan materialen die je kunt gebruiken en je kunt de materialen afstemmen en hun prestaties verbeteren door slim chemisch ontwerp en goede productieomstandigheden, " hij zegt, "maar om dat te kunnen doen, je moet ook de basis kunnen begrijpen."