Hoewel er een groeiende markt is voor organische zonnecellen, bevatten ze materialen die goedkoper zijn, overvloediger, en milieuvriendelijker dan de zonnepanelen die worden gebruikt in typische zonnepanelen - ze zijn ook minder efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit dan conventionele zonnecellen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers die lid zijn van het Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), een nieuw wetenschappelijk centrum voor energiematerialen, gevestigd in het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), hebben een mysterie opgelost dat tot efficiëntiewinsten zou kunnen leiden.

Ze lokaliseerden de bron van een ultrasnel en efficiënt proces dat verschillende dragers van elektrische lading voortbrengt uit een enkel lichtdeeltje in organische kristallen die een integraal onderdeel vormen van deze steeds populairdere vorm van zonnecellen.

Dit proces - "singlet-splijting" genoemd, omdat het verwant is aan het splitsen van atoomkernen bij kernsplijting om twee lichtere atomen te maken van een zwaardere - belooft veel voor het drastisch verhogen van de efficiëntie van organische zonnecellen door snel meer van de energie van zonlicht om te zetten in elektrische ladingen in plaats van deze te verliezen aan warmte.

Het onderzoeksteam vond een nieuw mechanisme dat verklaart hoe deze reactie kan plaatsvinden in slechts tientallen femtoseconden (quadrillionste van een seconde), voordat andere concurrerende effecten hun energie kunnen stelen. Hun studie werd op 29 december gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"We hebben een nieuw mechanisme ontdekt waarmee we kunnen proberen betere materialen te ontwerpen, " zei Steven G. Louie, directeur van C2SEPEM, een door DOE ondersteund centrum met onderzoekers van Berkeley Lab; de Universiteit van Californië, Los Angeles; de Universiteit van Texas in Austin; en het Georgia Institute of Technology.

Louie, een co-leider van de studie, is ook een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in de natuurkunde aan de UC Berkeley. C2SEPEM richt zich op het ontwikkelen van theorieën, methoden, en software om complexe processen in energiegerelateerde materialen te helpen verklaren.

In het splitsingsproces een samengesteld deeltje bestaande uit een elektron, die een negatieve lading heeft, en zijn partnergat - een lege elektronpositie in de atomaire structuur van een materiaal dat zich gedraagt ​​als een deeltje bij het dragen van een positieve lading - wordt snel omgezet in twee elektron-gatparen. Dit verdubbelt het ladingsdragende potentieel in het materiaal en vermijdt het verlies van energie als warmte.

"Er is veel dat we nog steeds niet begrijpen over de fundamentele fysica van dit proces in kristallijne materialen waar we meer licht op hopen te werpen, " zei Jeffrey B. Neaton, adjunct-directeur van C2SEPEM, die samen met Louie de studie leidde.

Neaton is ook de Associate Laboratory Director voor Energy Sciences bij Berkeley Lab, de directeur van Berkeley Lab's Molecular Foundry, en een natuurkundeprofessor aan UC Berkeley. "De computationele methode die we hebben ontwikkeld is zeer voorspellend, en we gebruikten het om singlet-splijting op een nieuwe manier te begrijpen, waardoor we materialen kunnen ontwerpen die nog efficiënter zijn in het oogsten van licht, bijvoorbeeld."

Louie merkte op dat veel pogingen in het verleden gericht waren op slechts een paar moleculen in het materiaal - in dit geval de gekristalliseerde vorm van pentaceen, die is samengesteld uit waterstof en koolstof - om meer te weten te komen over deze exotische effecten. Maar dergelijke benaderingen hebben mogelijk de effecten die singlet-splijting veroorzaken te eenvoudig gemaakt.

"Er zijn veel theoretische pogingen gedaan om te proberen te begrijpen wat er aan de hand is, " hij zei.

In deze laatste studie het onderzoeksteam begon met een grootschalig beeld van de algehele structuur van het gekristalliseerde pentaceen, en in het bijzonder zijn symmetrie - de zich herhalende patronen in zijn atomaire raamwerk.

"Het is alsof je de oceaan probeert te verklaren door hem molecuul voor molecuul te bekijken, of kijken naar een hele golf, " zei Felipe H. da Jornada, een co-hoofdauteur van de studie met Sivan Refaely-Abramson. Beiden zijn postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab en UC Berkeley en tevens verbonden aan C2SEPEM.

"Onze aanpak vangt direct het hele kristal, " ongeacht de grootte, hij merkte.

Het team gebruikte berekeningen die gedeeltelijk zijn uitgevoerd in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, en supercomputerbronnen in het National Energy Research Scientific Computing Center van het Lab om te ontwikkelen, model, en testen hun nieuwe theorieën over het splijtingsproces.

"Wij geloven dat deze theorieën ook kunnen worden toegepast op heel verschillende materialen, " zei Refaely-Abramson, "en in die zin theorie is erg belangrijk." Eerdere experimenten hadden enkele van de belangrijke aanwijzingen over de rol van de kristalstructuur in het singlet-splijtingsmechanisme gemist.

De studie concludeert dat om deze elektron-gatparen efficiënt te verdubbelen, het bemonsterde materiaal moet een bepaald soort symmetrie vertonen, of herhaalde combinaties van moleculen, binnen zijn kristalstructuur - net zoals de vloer van een kamer een veelvoud aan eenvoudige, herhalende patronen met dezelfde tegels.

De efficiëntie van het singlet-splijtingsproces lijkt sterk afhankelijk te zijn van het aantal moleculen dat is verpakt in elk herhalend patroon of "motief" in het kristal, en op een bepaald type symmetrie die waarin er een 180-graden rotatie en spiegeling van deze motieven is. Deze relatie tussen symmetrie en efficiëntie, vonden de onderzoekers, stelt hen in staat krachtige voorspellingen te doen over de efficiëntie van de algehele splijting.

Die voorspellingen kunnen alleen mogelijk zijn, Hoewel, als de elektron-gatparen in het monster zich gedragen als golfachtige objecten die door het hele kristal bewegen, zoals golven in een oceaan. Deze aanpak gaf hen ook nieuwe inzichten over het splitsingsproces, en hoe de nieuw gecreëerde paren zich moeten gedragen als golven die zich in tegengestelde richting voortplanten.

Er zijn nog verschillende stappen die moeten worden uitgewerkt om deze bevindingen relevanter te maken voor toepassingen in de echte wereld, merkten de onderzoekers op. Bij zonnecellen, bijvoorbeeld, elektronen moeten efficiënt worden bevrijd van hun koppeling met gaten om hun energie te oogsten en de prestaties van het zonnepaneel te verbeteren.

Inzicht in de verdubbeling van ladingsdragers in een materiaal kan onderzoekers helpen om omgekeerde processen beter uit te leggen en te ontwikkelen. ook - zoals de technologie die wordt gebruikt in sommige displays van mobiele telefoons die het aantal ladingsdragers vermindert (een proces dat bekend staat als triplet-fusie), zei Neton.

Louie merkte op dat het multidisciplinaire team dat voor het onderzoek was samengesteld, een belangrijk aspect van het C2SEPEM-centrum, was een integraal onderdeel van de introductie van nieuw denken om een ​​decennia oud probleem aan te pakken.

"Dit is een van de eerste belangrijke onderwerpen die we kunnen behandelen, en nu is het zover, " hij zei.