Zonnecellen op basis van organische moleculen bieden potentiële voordelen ten opzichte van conventionele apparaten om licht om te zetten in elektriciteit. Deze organische zonnecellen kunnen goedkoop, duurzaam en gemakkelijk te maken zijn. Organische cellen hebben echter nog niet de prestatie die overeenkomt met conventionele apparaten. De inspanningen van wetenschappers om de prestaties te verbeteren zijn beperkt door hun beperkte begrip van hoe elektronen die door licht worden geëxciteerd (of "foto-aangeslagen") "vrije dragers" worden.

In principe stromen vrije dragers over een materiaal en komen ze als elektrische stroom tevoorschijn. Eerdere wetenschappelijke studies suggereren dat foto-excitatie leidt tot een strak gebonden paar bestaande uit een elektron en een gat. In deze studies werd niet beschreven hoe de sterke bindende krachten om vrije dragers te vormen, konden worden overwonnen. Deze nieuwe studie onthult dat meer plaatsen op naburige moleculen elektronen kunnen accepteren, wat verklaart hoe vrije dragers zich direct vormen.

Gepubliceerd in Materialen Horizons , ontwikkelde dit onderzoek een nieuw model genaamd Distribution Range Electron Transfer (DRET). Eerdere modellen voor het genereren van vrije dragers in organische zonnecellen hebben over het algemeen nieuwe fysische verschijnselen opgeroepen om experimentele resultaten te verklaren. Ze hebben met name gezegd dat vrije dragers zich kunnen vormen met een efficiëntie die de 100% benadert in een materiaal waar tegengestelde ladingen traditioneel moeilijk te scheiden en te gebruiken zijn.

In deze nieuwe studie suggereren wetenschappers een eenvoudiger alternatief met behulp van gevestigde concepten. Ze vertrouwen op een eenvoudig model van processen die elektronen in moleculen overbrengen, de Marcus-theorie, een model waarvoor Rudy Marcus in 1992 een Nobelprijs kreeg. Het nieuwe DRET-model zou nieuwe wegen naar efficiënte organische zonnecellen kunnen ontsluiten.

Het nieuwe model, ontwikkeld door onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL), verklaart de generatie van vrije dragers in organische zonnecellen met behulp van gevestigde concepten, waaronder de Marcus-theorie voor elektronenoverdracht, gecombineerd met een beschouwing van de entropie geassocieerd met de ladingsoverdrachtinterface en de mogelijkheid van overdrachten op lange termijn. Het model laat zien dat bestaande ontwerpregels voor elektronenoverdrachtsprocessen in de oplossingsfase kunnen worden toegepast op organische fotovoltaïsche systemen.

Deze regels houden ten eerste in dat de drijvende kracht wordt berekend met behulp van de bekende Gibbs-energieterm. Ten tweede, dat de rol van reorganisatie-energie wordt geïdentificeerd. Ten derde worden factoren geïdentificeerd die de afstandsafhankelijkheid van de elektronische koppeling regelen.

Het model past bij experimentele gegevens die zijn verzameld met behulp van in de tijd opgeloste microgolfgeleidbaarheidsexperimenten om de normale, optimale en omgekeerde regimes voor de efficiëntie van het genereren van vrije dragers in kaart te brengen. Kwalitatieve overeenkomst met lang waargenomen gedrag in organische fotovoltaïsche apparaten biedt een uniform platform voor het begrijpen van de producten van foto-geïnduceerde elektronenoverdracht in zowel oplossings- als vastefasesystemen. Integratie van dit nieuwe model dat de discrete moleculaire aard van de componenten die de hiërarchische structuur van organische zonnecellen vormen, effectief vastlegt, kan onderzoekers in staat stellen materialen te ontwikkelen voor efficiëntere processen voor het genereren van lading. + Verder verkennen

Onderzoekers observeren Marcus omgekeerd gebied van ladingsoverdracht van laagdimensionale halfgeleidermaterialen