Een goedkoop materiaal, gemaakt van wolfraamdisulfidevlokken van slechts enkele atomen dik, heeft geholpen om de prestaties van organische zonnecellen te verbeteren1. De ontdekking door KAUST-onderzoekers zou een belangrijke stap kunnen zijn om deze fotovoltaïsche cellen breder te gebruiken voor het opwekken van schone elektriciteit.

De meeste zonnecellen gebruiken silicium om licht te absorberen en zijn energie om te zetten in elektriciteit. Maar op koolstof gebaseerde halfgeleidermoleculen, gebruikt in organische fotovoltaïsche energie (OPV's), bieden enkele duidelijke voordelen ten opzichte van silicium. OPV's zijn meestal flexibel, bijvoorbeeld, wat betekent dat ze op grote schaal kunnen worden vervaardigd met behulp van goedkope roll-to-roll-afdrukken. Maar de beste OPV's zetten ongeveer 16-17 procent van het licht dat ze opvangen om in elektrische stroom, ruim tekort aan commerciële siliciumcellen die meer dan 20 procent bedragen.

Thomas D. Anthopoulos, en collega's van het KAUST Solar Center, hebben geschat dat OPV's die prestaties zouden kunnen evenaren als bepaalde delen van de cel zouden worden verbeterd2. Wanneer licht de halfgeleider raakt, het bevrijdt elektronen uit het materiaal en laat positief geladen gaten achter. Elektronen en gaten worden verzameld door verschillende lagen op tegenoverliggende vlakken van de halfgeleider en afgeleverd aan de elektroden van de cel om een ​​stroom te genereren. De leidende gatentransporteur is een polymeer genaamd PEDOT:PSS, maar het is zuur en neemt vocht op uit de lucht, die andere materialen in de zonnecel afbreekt.

Het interdisciplinaire team van Anthopoulos heeft nu een gatentransporterende laag ontwikkeld, gemaakt van vlokken van een 2D-materiaal, wolfraam disulfide. Met behulp van ultrageluid scheurden de onderzoekers de vlokken van poedervormig wolfraamdisulfide gesuspendeerd in een mengsel van water en ethanol. Deze ultrasoonapparaatmethode is goedkoop en gemakkelijk op te schalen, en de vlokken kunnen op een elektrode worden uitgespreid met behulp van een eenvoudig en veelgebruikt spincoatingproces.

Het team heeft op deze manier verschillende OPV's gefabriceerd, en de beste hadden een stroomconversie-efficiëntie van 17 procent, dat is het hoogste voor elke OPV die een 2D-materiaal gebruikt als gatentransporteur en een van de hoogste voor elke OPV. "We waren zeer verrast om 17 procent te bereiken, " zegt Yuanbao Lin, een doctoraat leerling in het team. "We denken dat dit nog maar het begin is en dat er aanzienlijke ruimte is voor prestatieverbetering."

Het team ontdekte dat de wolfraamdisulfidelaag een lagere weerstand heeft dan PEDOT:PSS en ook beter is in het verzamelen van gaten dan zijn rivaal, wat leidt tot betere prestaties. "Ons onmiddellijke doel is om de efficiëntie van onze organische zonnecellen ruim boven de 17 procent te brengen en in de richting van onze theoretisch voorspelde limieten, ", zegt Anthopoulos. "We willen ook de stabiliteit van deze hoogrenderende organische zonnecellen bestuderen."