Zonnecellen op basis van organische polymeren zijn van groot belang omdat de materialen zowel goedkoper te maken als gemakkelijker te verwerken zijn dan die van traditionele anorganische zonnecellen. Daten, echter, de allerbeste energieconversie-efficiënties voor polymere zonnecellen blijven onder de drempel voor praktische toepassing. Itaru Osaka van de Emergent Molecular Function Research Group van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en collega's hebben nu bij toeval ontdekt dat het veranderen van de structuur van het polymeer resulteert in een significante verbetering van de efficiëntie van de energieconversie1.

Wanneer lichtenergie wordt geabsorbeerd door het polymeer in een polymere zonnecel, elektronen worden geëxciteerd naar hogere energieniveaus om een ​​hoogenergetisch elektron en een bijbehorend elektron 'gat' te produceren. Om de lichtenergie om te zetten in elektrische stroom, deze elektronen en gaten moeten door het polymeer naar de elektroden gaan voordat ze opnieuw combineren en de energie verloren gaat. Er is veel onderzoek gedaan om te begrijpen hoe dit conversieproces kan worden verbeterd.

Osaka en zijn collega's hadden gewerkt met een bepaald type copolymeer dat een herhalende naftodithiofeen-naftobisthiadiazoolstructuur bevatte genaamd PNNT-DT. "PNNT-DT heeft een zeer lage oplosbaarheid, " legt Osaka uit, "Dus we waren geïnteresseerd in het hechten van extra alkylzijketens aan het polymeer om de verwerkbaarheid te verbeteren." Zoals verwacht, deze modificatie verbeterde de oplosbaarheid van het polymeer aanzienlijk, maar ook aanzienlijk en onverwacht verbeterde de energieconversie-efficiëntie van zonnecellen gemaakt met het polymeer.

In de zonnecellen, het polymeer wordt afgezet als een dunne film, en analyse onthulde dat deze nieuwe 'gealkyleerde' polymeren zo waren gerangschikt dat de polymeerketens plat in stapels op het oppervlak lagen in plaats van er loodrecht op uitgelijnd. Dit zorgt ervoor dat de ladingsdragers - elektronen en gaten - loodrecht op het oppervlak bewegen in plaats van parallel, het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie (Fig. 1). "Deze onverwachte verandering in oriëntatie produceerde zonnecellen met een efficiëntie tot 8,2% vergeleken met slechts 5,5% voor het niet-gealkyleerde materiaal, ', zegt Osaka.

uiteindelijk, Osaka en zijn collega's hopen deze dramatische efficiëntieverbetering in andere polymeren te benutten om dichter bij de productie van polymere zonnecellen te komen die echt kunnen concurreren met de 15% of meer efficiëntie van anorganische zonnecellen. "We hebben een beter begrip nodig van waarom deze omschakeling in polymeeroriëntatie plaatsvindt, en dan moeten we het toepassen op andere polymeren die een groter bereik van zichtbare lichtgolflengten kunnen absorberen, " hij zegt.