Organische zonnecellen hebben de potentie om op een economische en milieuvriendelijke manier zonlicht om te zetten in elektrische energie. De uitdaging is dat ze nog steeds minder efficiënt werken dan anorganische halfgeleiders. Ultrasnelle metingen aan hybride cellen onthullen nu een route om hun efficiëntie te verdubbelen.

Het gebruik van organische fotovoltaïsche energie voor de productie van elektriciteit uit zonlicht biedt een aantrekkelijke en kansrijke basis voor een innovatieve en milieuvriendelijke manier van energievoorziening. Ze kunnen vrij economisch worden vervaardigd en, omdat ze zo buigbaar zijn als plasticfolie, ze kunnen flexibel worden verwerkt. Het probleem is dat ze toch duidelijk minder efficiënt zijn dan conventionele anorganische halfgeleidercellen. Het meest cruciale proces bij de omzetting van licht in elektrische stroom is het genereren van gratis ladingsdragers. In de eerste stap van fotoconversie, bij absorptie van licht een component van de organische zonnecel, meestal een polymeer, maakt elektronen vrij die worden opgenomen door de tweede component van de cel - in dit geval silicium nanodeeltjes - en vervolgens verder getransporteerd kunnen worden.

"De mechanismen en de tijdschaal van ladingsscheiding zijn al vele jaren onderwerp van controversieel wetenschappelijk debat, ", zegt LMU-hoogleraar natuurkunde Eberhard Riedle. In samenwerking met onderzoekers van de Technische Universiteit in München en de Universiteit van Bayreuth, Riedle en zijn groep hebben het proces nu tot in detail kunnen ontleden. Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten een nieuw hybride celtype dat zowel organische als anorganische bestanddelen bevat, waarin silicium dienst doet als elektronenacceptor. Op basis van de inzichten die met dit systeem zijn verkregen, ze ontwikkelden een verwerkingsstrategie om de structurele volgorde van het polymeer te verbeteren - en ontdekten dat dit de efficiëntie van ladingsscheiding in organische halfgeleiders tot het dubbele verhoogt. Hun bevindingen bieden een nieuwe manier om de prestaties van organische zonnecellen te optimaliseren.

De sleutel tot deze doorbraak ligt in een unieke, op laser gebaseerde experimentele opstelling, die een extreem hoge temporele resolutie van 40 femtoseconden (fs) combineert met een zeer breedbanddetectie. Hierdoor kon het team de ultrasnelle processen die worden veroorzaakt door fotonabsorptie in realtime volgen terwijl ze zich voordoen. In plaats van de fullerenen die in typische organische cellen worden gebruikt, de onderzoekers gebruikten silicium als elektronenacceptor, een keuze die twee grote voordelen heeft.

"Eerst, met deze nieuwe hybride zonnecellen, we waren in staat om de fotofysische processen die in het polymeer plaatsvinden, nauwkeuriger dan ooit te onderzoeken, en ten tweede door het gebruik van silicium, een veel groter deel van het zonnespectrum kan worden benut voor elektriciteit, ' zegt Riedel.

Het blijkt dat gratis ladingsdragers – zogenaamde polarons – niet direct bij foto-excitatie worden gegenereerd, maar met een vertraging van ongeveer 140 fs. Primaire foto-excitatie van een polymeermolecuul leidt eerst tot de vorming van een aangeslagen toestand, een exciton genoemd. Dit dissocieert dan, het vrijgeven van een elektron, die vervolgens wordt overgebracht naar de elektronenacceptor. Het verlies van elektronen laat positief geladen "gaten" in het polymeer achter en, omdat tegengesteld geladen entiteiten tot elkaar worden aangetrokken door de Coulomb-kracht, de twee hebben de neiging om te recombineren.

"Om gratis vervoerders te krijgen, elektron en gat moeten beide voldoende mobiel zijn om de Coulomb-kracht te overwinnen, " legt Daniel Hermann uit, de eerste auteur van de nieuwe studie. Het team kon laten zien, Voor de eerste keer, dat dit veel gemakkelijker te bereiken is in polymeren met een geordende, regelmatige structuur dan bij polymeren die chaotisch gerangschikt zijn. Met andere woorden, een hoge mate van zelforganisatie van het polymeer verhoogt de efficiëntie van ladingsscheiding aanzienlijk.

"Het polymeer dat we gebruikten is een van de weinige waarvan bekend is dat het de neiging heeft om zichzelf te organiseren. Deze neiging kan worden geremd, maar men kan ook de intrinsieke neiging van het polymeer tot zelforganisatie vergroten door geschikte verwerkingsparameters te kiezen, " legt Herrmann uit. Door de verwerking van het polymeer P3HT slim te optimaliseren, de onderzoekers slaagden erin de opbrengst van gratis ladingsdragers te verdubbelen – en daarmee de efficiëntie van hun experimentele zonnecellen aanzienlijk te verhogen.