Onderzoekers hebben de eerste fracties van een seconde gevolgd nadat licht op zonnecellen valt, waardoor ze inzicht krijgen in hoe ze elektriciteit produceren.

Door de allereerste momenten van het proces van het omzetten van licht in elektriciteit te onderzoeken, kunnen onderzoekers nieuwe zonnecellen verbeteren, waardoor ze efficiënter energie kunnen produceren.

De methode, ontwikkeld door onderzoekers van het Imperial College London, maakt gebruik van ultrasnelle lasers en röntgenstralen om een ​​reactie uit te lokken en vervolgens om de veranderingen die het veroorzaakt te meten in slechts femtoseconden (quadrillionste van een seconde).

Nu heeft een team van onderzoekers van Imperial en Newcastle University de techniek gebruikt om organische fotovoltaïsche (OPV) materialen te bestuderen die zonnestralen oogsten om energie te produceren of om water te splitsen.

OPV-materialen worden intensief bestudeerd omdat ze goedkopere hernieuwbare energie kunnen leveren. Veel van de materialen die momenteel worden gebruikt, zijn echter onstabiel of inefficiënt vanwege de complexe interactie van elektronen die door licht worden geëxciteerd.

Nadere studie van de snelle interacties van deze elektronen, zoals het artikel dat vandaag is gepubliceerd in Nature Communications die snelle tijdresolutie combineert met metingen gelokaliseerd op atomen, biedt waardevolle inzichten in methoden voor het verbeteren van zonnecellen en katalysatoren.

Efficiëntere apparaten

Professor Jon Marangos, van de afdeling Natuurkunde van Imperial, zegt dat "OPV's goedkope en flexibele alternatieven zijn voor op silicium gebaseerde fotovoltaïsche cellen, en dus een aantrekkelijk vooruitzicht zijn voor gebruik in toekomstige infrastructuur voor het opwekken van zonne-energie.

"Dit werk demonstreert de kracht van onze nieuwe, in de tijd opgeloste röntgentechniek, die nu kan worden toegepast op een breder scala aan materialen en het inzicht kan verschaffen dat nodig is voor het maken van efficiëntere OPV-apparaten."

Het team onderzocht de eerste stap van de omzetting van zonne-energie:de reacties in het materiaal veroorzaakt door lichtinval. Ze vuurden eerst een laserpuls van 15 femtoseconden af ​​op het materiaal om de reactie op te wekken. Ze volgden dit met een röntgenpuls van slechts attoseconden (minder dan miljoensten van een miljardste van een seconde), die de resulterende veranderingen in het materiaal maten.

Snel evoluerende toestanden

Het team nam voor het eerst directe röntgensignaturen waar van de begintoestand van het materiaal wanneer elektronen uit hun positie worden geslagen. Dit creëert een elektronen- en "gat"-paar, dat door het materiaal kan bewegen.

Deze begintoestand evolueerde snel naar een nieuwe, stabielere toestand in slechts 50 femtoseconden. Berekeningen van professor Tom Penfold van de Universiteit van Newcastle kwamen goed overeen met de waarnemingen, waaruit bleek dat de begintoestand afhing van de afstand tussen ketens van moleculen in het materiaal.

Dr. Artem Bakulin, van de afdeling Scheikunde van Imperial, zegt dat "deze gevoeligheid van de in de tijd opgeloste röntgenmethode voor de initiële elektronendynamica die direct na excitatie door licht optreedt, de weg vrijmaakt voor nieuwe inzichten in de fotofysica van een brede scala aan organische opto-elektronische en andere materialen."

Het team is nu van plan om de ultrasnelle laaddynamiek in andere organische halfgeleidermaterialen te onderzoeken, waaronder recent ontdekte materialen die verschillende moleculen gebruiken als elektronenacceptoren, die een verbeterde OPV-efficiëntie vertonen. + Verder verkennen

Een stap naar goedkopere zonne-energie