Natuurkundigen van de Rutgers University hebben nieuwe eigenschappen ontdekt in een materiaal dat zou kunnen resulteren in efficiënte en goedkope plastic zonnecellen voor vervuilingsvrije elektriciteitsproductie.

De vondst, online gepost en gepland voor publicatie in een aankomend nummer van het tijdschrift Natuurmaterialen , onthult dat energiedragende deeltjes die worden gegenereerd door lichtpakketten in de orde van duizend keer verder kunnen reizen in organische (op koolstof gebaseerde) halfgeleiders dan wetenschappers eerder hebben waargenomen. Dit stimuleert de hoop van wetenschappers dat zonnecellen op basis van deze ontluikende technologie op een dag siliciumzonnecellen kunnen inhalen in kosten en prestaties, waardoor de bruikbaarheid van door zonne-energie opgewekte elektriciteit als alternatieve energiebron voor fossiele brandstoffen wordt vergroot.

"Organische halfgeleiders zijn veelbelovend voor zonnecellen en andere toepassingen, zoals videoschermen, omdat ze kunnen worden vervaardigd in grote plastic platen, " zei Vitaly Podzorov, universitair docent natuurkunde aan de Rutgers. "Maar hun beperkte fotovoltaïsche conversie-efficiëntie heeft hen tegengehouden. We verwachten dat onze ontdekking verdere ontwikkeling en vooruitgang zal stimuleren."

Podzorov en zijn collega's merkten op dat excitonen - deeltjes die ontstaan ​​wanneer halfgeleidende materialen fotonen absorberen, of lichtdeeltjes - kunnen duizend keer verder reizen in een extreem zuivere organische kristalhalfgeleider die rubreen wordt genoemd. Tot nu, Van excitonen werd doorgaans waargenomen dat ze minder dan 20 nanometer - miljardsten van een meter - in organische halfgeleiders reizen.

"Dit is de eerste keer dat we excitonen zagen migreren van enkele microns, " zei Podzorov, opmerkend dat ze diffusielengtes maten van twee tot acht micron, of miljoensten van een meter. Dit is vergelijkbaar met excitondiffusie in anorganische zonnecelmaterialen zoals silicium en galliumarsenide.

"Zodra de excitondiffusieafstand vergelijkbaar wordt met de lichtabsorptielengte, je kunt het meeste zonlicht opvangen voor energieconversie, " hij zei.

Excitonen zijn deeltjesachtige entiteiten die bestaan ​​uit een elektron en een elektrongat (een positieve lading die wordt toegeschreven aan de afwezigheid van een elektron). Ze kunnen een fotospanning genereren wanneer ze een halfgeleidergrens of -junctie raken, en de elektronen bewegen naar de ene kant en de gaten naar de andere kant van de junctie. Als excitonen slechts tientallen nanometers diffunderen, alleen degenen die zich het dichtst bij de knooppunten of grenzen bevinden, genereren fotospanning. Dit verklaart de lage elektrische conversie-efficiëntie in de huidige organische zonnecellen.

"Nu verliezen we 99 procent van het zonlicht, " merkte Podzorov op.

Terwijl de extreem zuivere rubreenkristallen die door de natuurkundigen van Rutgers zijn vervaardigd, op dit moment alleen geschikt zijn voor laboratoriumonderzoek, het onderzoek laat zien dat het excitondiffusie-bottleneck geen intrinsieke beperking is van organische halfgeleiders. Voortdurende ontwikkeling kan resulteren in efficiëntere en produceerbare materialen.

De wetenschappers ontdekten dat excitonen in hun rubreenkristallen zich meer gedroegen als de excitonen die werden waargenomen in anorganische kristallen - een gedelokaliseerde vorm die bekend staat als Wannier-Mott, of WM, excitonen. Wetenschappers geloofden eerder dat alleen de meer gelokaliseerde vorm van excitonen, genaamd Frenkel-excitonen, aanwezig waren in organische halfgeleiders. WM-excitonen bewegen sneller door kristalroosters, wat resulteert in betere opto-elektronische eigenschappen.

Podzorov merkte op dat het onderzoek ook een nieuwe methode opleverde voor het meten van excitonen op basis van optische spectroscopie. Omdat excitonen niet geladen zijn, ze zijn moeilijk te meten met conventionele methoden. De onderzoekers ontwikkelden een techniek genaamd polarisatie opgeloste fotostroomspectroscopie, die excitonen aan het oppervlak van het kristal dissocieert en een grote fotostroom onthult. De techniek moet toepasbaar zijn op andere materialen, Podzorov beweert.