Onderzoekers van de Universiteit van Linköping hebben een kwantumfenomeen ontdekt dat de vorming van vrije ladingen in organische zonnecellen beïnvloedt. "Als we goed kunnen begrijpen wat er aan de hand is, we kunnen de efficiëntie verhogen, " zegt Olle Inganäs, Professor Emeritus.

Promovendus Qingzhen Bian behaalde onverwachte resultaten toen hij een experiment opzette om een ​​zonnecelmateriaal bestaande uit twee lichtabsorberende polymeren en een acceptormateriaal te optimaliseren. Olle Inganas, emeritus hoogleraar bij de afdeling Biomoleculaire en Organische Elektronica vroeg hem het experiment te herhalen om meetfouten uit te sluiten. Keer op keer, en in experimenten die zowel bij LiU als door collega's in Lund zijn uitgevoerd, hetzelfde gebeurde:een kleine periodieke golfvorm van een paar honderd femtoseconden verscheen in de handtekening van de optische absorptie als een fotostroom gevormd in het zonnecelmateriaal. Wat was er aan de hand?

De uitleg is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Wat achtergrondinformatie:Wanneer licht in de vorm van fotonen wordt geabsorbeerd in een halfgeleidend polymeer, een exciton vormt. Excitonen zijn gebonden elektron-gatparen in het polymeer. De elektronen komen niet vrij, en het vervoer van ladingen, de fotostroom, komt niet voor. Wanneer het elektronendonerende polymeer wordt gemengd met een molecuul dat elektronen accepteert, de elektronen kunnen vrijkomen. De elektronen hoeven dan maar een klein sprongetje te maken om vrij te komen, en het energieverlies wordt tot een minimum beperkt. De gaten en de elektronen transporteren de fotostroom en de zonnecel begint elektriciteit te produceren.

Dit is al lang bekend. Echter, de opmerkelijke golfvorm verscheen toen in het experiment van Qingzhen Bian.

"De enige denkbare verklaring is dat er samenhang ontstaat tussen het aangeslagen systeem en de gescheiden ladingen. We hebben de kwantumchemici gevraagd om dit te onderzoeken en de resultaten die we verkrijgen in herhaalde experimenten komen goed overeen met hun berekeningen, " zegt Olle Inganäs.

Op de kwantumschaal, atomen trillen, en ze trillen sneller als ze worden verwarmd. Het zijn deze trillingen die op de een of andere manier met elkaar en met het aangeslagen elektronenstelsel interageren:de fasen van de golven volgen elkaar op en er ontstaat een staat van samenhang.

"De samenhang helpt om de ladingen te creëren die de fotostroom geven, die bij kamertemperatuur plaatsvindt. Maar we weten nog niet waarom of hoe, " zegt Olle Inganäs.

Dezelfde kwantumcoherentie wordt gevonden in de biologische wereld.

"Er is een intens debat gaande tussen biofysische onderzoekers of systemen die fotosynthese gebruiken, hebben geleerd om coherentie te benutten of niet. Ik vind het onwaarschijnlijk dat miljoenen jaren van evolutie niet hebben geleid tot de natuurlijke wereld die het fenomeen exploiteert, " zegt Olle Inganäs.

"Als we beter zouden begrijpen hoe de ladingsdragers worden gevormd en hoe het proces wordt gecontroleerd, we zouden het moeten kunnen gebruiken om de efficiëntie van organische zonnecellen te verhogen. De trillingen zijn afhankelijk van de structuur van het molecuul, en als we moleculen kunnen ontwerpen die bijdragen aan het vergroten van de fotostroom, we kunnen het fenomeen ook in ons voordeel gebruiken, " hij zegt.