Met behulp van DESY's röntgenlichtbron PETRA III, onderzoekers van de Technische Universität München hebben, Voor de eerste keer, zag organische zonnecellen in realtime degraderen. Dit werk zou nieuwe benaderingen kunnen openen om de stabiliteit van dit veelbelovende type zonnecel te vergroten. Het team onder leiding van Prof. Peter Müller-Buschbaum van de Technische Universität München (Technische Universiteit van München) presenteert hun observaties in het nummer van deze week van het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen .

Organische zonnecellen, vooral die op basis van polymeren zijn goedkoop op grote schaal te produceren. Dankzij hun fysieke flexibiliteit, ze kunnen nieuwe toepassingen van fotovoltaïsche energie ontsluiten die vandaag niet mogelijk zijn. Bovendien, ze kunnen licht omzetten in elektriciteit met een efficiëntie van meer dan tien procent en kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan een grootschalige stroomvoorziening op basis van hernieuwbare bronnen. Echter, het rendement van organische zonnecellen neemt nog steeds snel af en ze hebben een kortere levensduur dan conventionele siliciumcellen.

Bij het P03-meetstation van DESY's lichtbron PETRA III, wetenschappers hebben de eerste live observaties gedaan van de afbraak van organische zonnecellen in werking. Om dit te doen, ze staken een voorbeeld van een zonnecel van polymeer met behulp van een zonnesimulator, die licht uitstraalt dat overeenkomt met het spectrum en de intensiteit van zonlicht, en registreerde de elektrische kenmerken van de cel in de tijd. Met tussenpozen variërend van enkele minuten tot wel een uur, de onderzoekers keken ook in de zonnecel met behulp van de scherp gefocuste röntgenstraal van PETRA III. Zo konden ze zien hoe de inwendige structuur van de actieve laag van de zonnecel in de loop van zeven uur veranderde, terwijl de efficiëntie van de cel met ongeveer 25 procent daalde.

In de actieve laag wordt elektriciteit opgewekt op zogenaamde actieve domeinen in deze zonnecellen. Hier, licht wordt geabsorbeerd en ladingsdragers komen vrij. De diameter van deze actieve domeinen nam tijdens het onderzoek met 17 procent toe, van ongeveer 70 tot meer dan 80 nanometer. Tegelijkertijd, de gemiddelde afstand tussen hen nam met 19 procent toe van 310 nanometer tot ongeveer 370 nanometer, zoals de röntgenmetingen lieten zien.

"Dit suggereert dat tijdens de exploitatie kleine sites permanent verdwijnen ten gunste van grotere, " legt eerste auteur Christoph Schaffer uit, die promovendus is in de groep van Müller-Buschbaum. "Hoewel de domeinen groeien, ze wijken ook van elkaar af, dit betekent dat hun totale actieve gebied krimpt. Dit kan precies de waargenomen daling van de efficiëntie verklaren."

"Het onderzoek legde voor de eerste keer het mechanisme van degradatie uit. Het is een eerste stap, " zegt co-auteur Dr. Stephan Roth, de DESY-wetenschapper die verantwoordelijk is voor meetstation P03. "De volgende stap is om deze groei gericht te proberen te verminderen of te beheersen, bijvoorbeeld, door toevoeging van geschikte stoffen. Het is denkbaar dat polymere zonnecellen worden geproduceerd met een interne structuur waarin de actieve plaatsen tijdens de eerste bedrijfsuren tot hun optimale grootte groeien, ", voegt Müller-Buschbaum toe. "Het gevolg van dergelijke maatregelen zou kunnen zijn dat industrieel geproduceerde cellen uiteindelijk de economisch cruciale efficiëntiedrempel overschrijden, ook voor langdurig gebruik, " benadrukt Roth.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY is het toonaangevende Duitse acceleratorcentrum en een van de toonaangevende ter wereld. DESY is lid van de Helmholtz-vereniging en wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) (90 procent) en de Duitse deelstaten Hamburg en Brandenburg (10 procent). Op haar locaties in Hamburg en Zeuthen bij Berlijn, DESY ontwikkelt, bouwt en exploiteert grote deeltjesversnellers, en gebruikt ze om de structuur van materie te onderzoeken. DESY's combinatie van fotonenwetenschap en deeltjesfysica is uniek in Europa.