Waarom zijn efficiënte en betaalbare zonnecellen zo gewild? Volume. De hoeveelheid zonne-energie die de landmassa van de aarde elk jaar verlicht, is bijna 3, 000 keer de totale hoeveelheid jaarlijks menselijk energieverbruik. Maar om te concurreren met energie uit fossiele brandstoffen, fotovoltaïsche apparaten moeten zonlicht met een zekere efficiëntie omzetten in elektriciteit. Voor op polymeren gebaseerde organische fotovoltaïsche cellen, die veel goedkoper te vervaardigen zijn dan zonnecellen op basis van silicium, wetenschappers hebben lang geloofd dat de sleutel tot hoge efficiëntie ligt in de zuiverheid van de twee domeinen van de polymeer/organische cel - acceptor en donor. Nutsvoorzieningen, echter, een alternatieve en mogelijk gemakkelijkere route vooruit is getoond.

Werken bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een vooraanstaande bron van röntgen- en ultraviolette lichtstralen voor onderzoek, een internationaal team van wetenschappers ontdekte dat voor zeer efficiënte polymere/organische fotovoltaïsche cellen, grootte doet er toe.

"We hebben aangetoond dat onzuivere domeinen, als ze voldoende klein worden gemaakt, ook kunnen leiden tot verbeterde prestaties in op polymeren gebaseerde organische fotovoltaïsche cellen, " zegt Harald Ade, een natuurkundige aan de North Carolina State University, die dit onderzoek leidde. "Er lijkt een gulden middenweg te zijn, een soort van zoetigheid, tussen zuiverheid en domeingrootte die veel gemakkelijker te bereiken zou moeten zijn dan ultrahoge zuiverheid."

Ade, een oude gebruiker van de ALS, is de corresponderende auteur van een paper waarin dit werk wordt beschreven in Geavanceerde energiematerialen getiteld "Absolute meting van domeinsamenstelling en nanoschaalgrootteverdeling verklaart de prestaties in PTB7:PC71 BM-zonnecellen." Co-auteurs zijn Brian Collins, Zhe Li, John Tumbleston, Eliot Gann en Christopher McNeill.

De efficiëntie van de omzetting van zonnecellen in polymeer/organische fotovoltaïsche cellen hangt af van excitonen - elektron/gat-paren die worden geactiveerd door zonlicht - die snel de interfaces van de donor- en acceptordomeinen bereiken om energieverlies als warmte tot een minimum te beperken. Conventionele wijsheid was van mening dat hoe groter de zuiverheid van de domeinen, hoe minder impedanties en hoe sneller de excitonreis.

Ade en zijn co-auteurs waren de eersten die tegelijkertijd de domeingrootte meten, samenstelling en kristalliniteit van een organische zonnecel. Deze prestatie werd mogelijk gemaakt door ALS-bundellijnen 11.0.1.2, een Resonant Soft X-ray Scattering (R-SoXS) faciliteit; 7.3.3, een klein- en groothoek röntgenverstrooiing (SAXS/WAXS/) eindstation; en 5.3.2, een eindstation voor Scanning Transmission X-Ray Microscopy (STXM).

zegt Collins, de eerste auteur op de Geavanceerde energiematerialen papier, "De combinatie van deze drie ALS-bundellijnen stelde ons in staat uitgebreide foto's te verkrijgen van op polymeren gebaseerde organische fotovoltaïsche filmmorfologie van de nano- tot de mesoschaal. Tot nu toe, deze informatie is onbereikbaar geweest."

Het internationale team gebruikte de trifecta van ALS-stralen om het mengsel van polymeer en volheid PTB7:PC71BM te bestuderen in dunne films gemaakt van een chloorbenzeenoplossing met en zonder toevoeging (drie volumeprocent) van het oplosmiddel dijoodoctaan. De films waren samengesteld uit druppelachtige dispersies waarin de dominante acceptordomeingrootte zonder het additief ongeveer 177 nanometer was. De toevoeging van het oplosmiddel verkleinde de grootte van het acceptordomein tot ongeveer 34 nanometer terwijl de samenstelling en kristalliniteit van de film behouden bleef. Dit resulteerde in een efficiëntiewinst van 42 procent.

"Door voor het eerst te laten zien hoe puur en hoe groot de acceptordomeinen in organische zonne-apparaten eigenlijk zijn, en hoe de interface met het donordomein eruitziet, we hebben aangetoond dat de impact van oplosmiddelen en additieven op de prestaties van het apparaat dramatisch kan zijn en systematisch kan worden bestudeerd, " zegt Ade. "In de toekomst, onze techniek zou het rationele ontwerp van op polymeren gebaseerde organische fotovoltaïsche films moeten helpen bevorderen."