Onderzoekers hebben ontdekt waarom nieuwe soorten zonnematerialen zo goed zijn in het oogsten van licht - en hebben ontwerpregels gegeven om ze beter te maken.

Dit opent de mogelijkheid om flexibele zonnecellen te ontwerpen, die kunnen worden gebruikt in gebouwen en kleding.

Traditionele zonnepanelen zijn gemaakt van hard, op silicium gebaseerde materialen die efficiënt maar relatief duur zijn en niet erg aanpasbaar. Nieuwe 'organische' zonnecellen zijn in plaats daarvan veel flexibeler - zowel wat betreft hoe ze kunnen worden aangepast door de chemie aan te passen, en hoe ze fysiek kunnen worden gebogen.

Organische zonnematerialen kunnen ook als inkt worden geproduceerd, wat betekent dat apparaten op basis van deze materialen goedkoop in massa kunnen worden geproduceerd door te spuiten of te bedrukken.

Echter, organische zonnecellen zijn momenteel niet zo efficiënt in het omzetten van lichtenergie in elektriciteit als gewone siliciumzonnecellen. Wetenschappers hebben onlangs vooruitgang geboekt met nieuwe soorten organische materialen, maar ze wisten niet precies hoe de nieuwe materialen deze efficiëntieniveaus kunnen bereiken, voorkomen dat ze ze nog beter maken.

Nutsvoorzieningen, in nieuw onderzoek dat deze week is gepubliceerd in Natuurmaterialen , onderzoekers van een groot internationaal team, waaronder Imperial College London, hebben bepaald hoe de nieuwe materialen werken, en hoe ze nog verder verbeterd kunnen worden.

Onbekende efficiëntie
Dokter Artem Bakulin, van de afdeling scheikunde van Imperial, zei:"Het lichtgewicht en flexibele karakter van organische zonnecellen betekent dat ze in elke gewenste vorm kunnen worden gegoten. Er is een groot potentieel voor organische zonnecellen om te worden geïntegreerd in gebouwen en voertuigen, of zelfs worden verwerkt in de stoffen die we dragen. Goedkoop, lichtgewicht zonnepanelen kunnen ook gemakkelijk worden getransporteerd en geïnstalleerd in delen van de wereld zonder stroom."

Onderzoekers wisten dat er in organische materialen grote energieverliezen waren, wat betekent dat ze niet efficiënt waren in het omzetten van zonne-energie in elektriciteit.

Dit komt omdat een deel van de energie die afkomstig is van lichtdeeltjes (fotonen) moet worden gebruikt voor 'ladingscheiding' - om elektrische ladingen (zogenaamde 'elektronen' en 'gaten') die door fotonen worden gecreëerd te helpen van elkaar weg te bewegen, zodat ze later elektrische stroom kunnen opwekken.

In de overgrote meerderheid van de organische zonnecellen die in de afgelopen 30 jaar zijn ontwikkeld, ten minste 30 procent van de energie die door de fotonen wordt gedragen, gaat verloren bij de scheiding van ladingen. In de laatste paar jaar echter, een nieuwe klasse van organische materialen is geïntroduceerd, algemeen bekend als 'non-fullereenacceptors' (NFA's).

NFA's hebben ertoe bijgedragen dat de verliezen door ladingsscheiding met bijna de helft zijn verminderd en hebben de efficiëntie van organische zonnecellen op ongeveer 14 procent gebracht. Dit is opmerkelijk, aangezien de theoretische grens voor efficiëntie ongeveer 30 procent is, en de meeste gebruikelijke siliciumcellen kunnen 25 procent bereiken in laboratoriumomgevingen.

Nieuwe regels voor nieuwe materialen
In samenwerking met zes andere groepen over de hele wereld, Imperial-onderzoekers ontwikkelden en bestudeerden een groot aantal efficiënte op NFA gebaseerde zonnecellen en ontdekten een mogelijke reden achter hun succesvolle prestaties.

Met behulp van geavanceerde ultrasnelle lasertechnieken zagen ze dat in deze apparaten, de elektronen en gaten die aan elkaar zijn gebonden en geen stroom kunnen genereren, gaan niet verloren, maar kan terugkeren naar de aanvankelijke aangeslagen toestand met een energie die overeenkomt met het foton dat ze heeft gecreëerd. Op deze manier, energieverliezen worden verminderd en de efficiëntie van het apparaat kan recordwaarden bereiken.

Met hun nieuwe inzicht, het team formuleerde ook de belangrijkste regels die in de toekomst kunnen leiden tot nog efficiëntere organische zonnecellen.

De onderzoekers van de zeven onderzoeksinstituten in de VS, China en Europa hebben samen ongeveer een dozijn verschillende materialen geproduceerd, waarvan sommige al eerder zijn gemeld en andere die volledig nieuw zijn. Ze hebben deze gebruikt om aan te tonen dat de voorgestelde regels overeenkomen met experimentele resultaten, ondanks dat sommige regels eerdere ideeën omverwerpen.

Tom Hopper, van de afdeling scheikunde van Imperial, zei:"Tot nu toe werd de ontwikkeling van organische zonnecelmaterialen voornamelijk gedaan door een synthetische trial-and-error-aanpak. We hopen dat de ontwerpregels die we hebben opgesteld nuttig zullen zijn voor wetenschappers die geïnteresseerd zijn in de ontwikkeling van efficiënte organische zonnecellen ."