(Phys.org) —Zonlicht dat door organische zonnecellen wordt geabsorbeerd, moet eerst door een handschoen op nanoschaal navigeren voordat het bruikbare elektriciteit wordt. Na het raken van het lichtabsorberende materiaal van de zonnecel, de fotoactieve laag genoemd, geabsorbeerd zonlicht wekt elektronen op, hen te bevrijden om hun weg te vinden door een doolhof vol wendingen, draait, doodlopende wegen, en botsingen. Alleen de gratis ladingen die met succes door dit doolhof komen, kunnen in een circuit als elektriciteit worden gebruikt. Dus hebben wetenschappers gezocht naar manieren om de elektronenverkeersopstopping in organische fotovoltaïsche energie te verlichten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Stony Brook University hebben een manier ontwikkeld om de mate van "verkeerscongestie" op de elektronensnelwegen in de fotoactieve laag in kaart te brengen. Hun nieuwe meet- en volgtechniek maakt gebruik van optisch geleide modi - een proces waarbij licht door precieze gebieden in het horizontale vlak van zonnecellen wordt geleid - om wetenschappers te helpen beter te begrijpen hoe de materialen die in de fotoactieve lagen worden gebruikt, de snelheid en efficiëntie van elektronenreizen beïnvloeden.

"Met onze techniek je kunt nu beter begrijpen hoe ver de elektronen door het complexe netwerk van de fotoactieve laag bewegen, " zei Brookhaven-natuurkundige Matthew Eisaman, teamleider over de nieuwe studie die online is gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen op 25 augustus, 2013. "Eerdere studies onthulden de samenstelling van het materiaal, maar onze techniek laat zien hoe die structuur het elektronentransport beïnvloedt."

In tegenstelling tot de grote op silicium gebaseerde zonnecellen die je normaal gesproken ziet op daken van huishoudens of opgesteld in grootschalige installaties om elektriciteit op te wekken, organische zonnecellen lijken meer op flexibele kunststoffen. Organische cellen zouden wijdverbreide toepassingen kunnen vinden in draagbare energieopwekking voor commercieel en militair gebruik of zelfs in zogenaamde "in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche, " waarbij zonnecellen direct in de ramen worden geïntegreerd, facade, of dak van een gebouw. Hun flexibele vormen kunnen goedkoop worden gemaakt met behulp van grootschalige, roll-to-roll productie. Maar voorlopig zijn deze veelzijdige materialen niet zo efficiënt als anorganische opties.

De kosten volgen

Wanneer licht elektronen opwekt in de fotoactieve laag van organische zonnecellen, het proces creëert een paar ladingsdragers - een elektron en een "gat, " de afwezigheid van een elektron waar het ooit bestond. Om gratis ladingen te worden, de elektron-gat-paren moeten uit elkaar worden gesplitst, en dit gebeurt op de grensvlakken van twee materialen die typisch de fotoactieve laag vormen, de ene is een elektronenacceptor en de andere een elektronendonor.

De meest gebruikte fotoactieve lagen in organische zonnecellen worden bulk heterojuncties (BHJ's) genoemd. waarin acceptor- en donormateriaal worden gemengd. Dit zorgt voor een effectievere lichtabsorptie en ladingsextractie omdat die kritische interfaces door de hele cel aanwezig zijn.

De elektronenacceptor- en elektronendonorgedeelten van de BHJ-fotoactieve laag zijn als twee verschillende soorten snelwegnetwerken in de zonnecel, Eisaman legde het uit. Elektronen reizen langs het elektronenacceptor-snelwegsysteem, die is gemaakt van fullereenmoleculen, terwijl hun corresponderende gaten door het elektronendonor-snelwegsysteem bewegen, die is gemaakt van een halfgeleidend polymeer. Begrijpen hoe elektronen door de BHJ fotoactieve laag bewegen, heeft het potentieel om organische zonnecellen efficiënter te maken dan de momenteel beschikbare.

Om de innerlijke structuren en interacties van deze BHJ "snelwegen, " Wetenschappers van Brookhaven Lab hebben de zonnecellen onderzocht met licht uit verschillende richtingen.

"Zonnecellen zijn als pannenkoeken, vlak met een groot oppervlak, " Zei Eisaman. "Zonlicht raakt de zonnecel meestal vanaf de bovenzijde en gaat door de dunne lagen ervan. Dit wordt normale incidentie genoemd."

Voorheen observeerden wetenschappers de fotoactieve laag door met een laser door de bovenkant van de zonnecel te schijnen, vergelijkbaar met zonneschijn. Maar het onderzoeken van zonnecellen met normale inval is een onvolledige methode - licht dat van bovenaf schijnt, zal een hogere intensiteit hebben aan de bovenkant van de fotoactieve laag, neemt af naarmate het door het materiaal wordt geabsorbeerd en de resolutie wordt beperkt. De nieuwe methode die Eisaman en zijn team hebben ontwikkeld, stuurt licht horizontaal door de fotovoltaïsche installatie in plaats van alleen van bovenaf.

"Geleide optische modi zorgen voor een betere controle van de positie van het licht, " zei Eisaman. "Het licht plant zich voort in het vlak van de pannenkoek, nauwkeurigere informatie verstrekken."

Fullereen- en polymeermaterialen mengen niet gelijkmatig door de fotoactieve laag van BHJ. In plaats daarvan, de materialen hebben de neiging om "fase-segregeren, " waarbij de ene kant rijk is aan polymeer en de andere kant rijk is aan fullereen. Deze fasescheiding beïnvloedt zowel de voortplanting van licht als de doorgang van elektronen en gaten door de laag. Met behulp van hun afbeelding met hoge resolutie van de BHJ fotoactieve laag, de wetenschappers brachten vervolgens in kaart hoe elektronen door de zonnecel reizen.

"De elektronen en gaten zijn als twee verschillende merken auto's die op twee verschillende soorten snelwegen rijden, " zei Nanditha Dissanayake, hoofdauteur van het onderzoek. "We willen begrijpen bij welke 'uitgang' elke auto voor het eerst verschijnt op de zonnecelsnelweg, en wat er gebeurt als ze naar een stad reizen - of een elektrisch contact - waar de snelwegen eindigen."

De nieuwe methode stelde Eisaman en zijn team in staat om selectief regio's binnen de BHJ fotoactieve laag te exciteren, zodat ze konden meten, met ongekende nauwkeurigheid en eenvoud, de afstand die de elektronen afleggen.

"Met de normale incidentiemethode, je maakt veel auto's ergens tussen afrit 35 en 50, "Zei Eisaman. "Maar met onze geleide techniek, we zijn in staat om effectief auto's te maken bij precies afrit 60. Dus we kunnen zien hoeveel van hen veilig van die afrit naar het einde van de snelweg zijn gereisd, duidelijk het pad tekenen en de kuilen onthullen, wegversperringen en ongevallen."

Dissanayake toegevoegd, "Deze techniek geeft je een fundamenteel begrip van hoe de samenstelling in een zonnecel de ladingsextractie en de efficiëntie van een apparaat beïnvloedt. Het geeft mensen richtlijnen voor het formuleren van hoogrenderende zonnecellen - niet beperkt tot organische, maar ook andere soorten op nanomateriaal gebaseerde fotovoltaïsche energie."

De onderzoekers gebruikten instrumenten van het Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) om de zonnecellen te fabriceren en hun materiaaleigenschappen te karakteriseren. Ze voerden ook nauwkeurige metingen uit op fasescheiding met behulp van Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS).

"De complementaire mogelijkheden van de nieuwe opto-elektronische technieken die in ons laboratorium worden ontwikkeld en de fabricage- en materiaalkarakteriseringsfaciliteiten van wereldklasse bij CFN maken Brookhaven een perfecte plek om dit werk te doen, ' zei Eisman.

"Deze techniek vormt de kern van onze strategie voor het bouwen van nieuwe en unieke mogelijkheden voor de karakterisering van fotovoltaïsche apparaten, " zei Patrick Looney, voorzitter van de afdeling Sustainable Energy Technologies bij Brookhaven Lab, waar Eisaman werkt.

Het artikel is getiteld "Kapping Spatally Resolved Charge Collection Probability binnen Bulk Heterojunction Photovoltaics."