Onderzoekers van de North Carolina State University en de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een eenvoudige manier gevonden om de moleculaire structuur van een polymeer dat veel in zonnecellen wordt gebruikt, aan te passen. Hun modificatie kan de efficiëntie van zonnecellen met meer dan 30 procent verhogen.

Op polymeren gebaseerde zonnecellen hebben twee domeinen, bestaande uit een elektronenacceptor en een elektronendonormateriaal. Excitonen zijn de energiedeeltjes die door zonnecellen worden gecreëerd wanneer licht wordt geabsorbeerd. Om effectief te kunnen worden ingezet als energiebron, excitonen moeten snel kunnen reizen naar het grensvlak van de donor- en acceptordomeinen en zoveel mogelijk energie van het licht vasthouden.

Een manier om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen, is door het verschil tussen de hoogste bezette moleculaire baan (HOMO) van de acceptor en de laagste onbezette moleculaire baan (LUMO) van het polymeer aan te passen, zodat het exciton met minimaal verlies kan worden geoogst. Een van de meest gebruikelijke manieren om dit te bereiken is door een fluoratoom toe te voegen aan de moleculaire ruggengraat van het polymeer, een moeilijke, meerstapsproces dat de prestaties van de zonnecel kan verhogen, maar heeft aanzienlijke materiële fabricagekosten.

Een team van chemici onder leiding van Jianhui Hou van de Chinese Academie van Wetenschappen creëerde een polymeer dat bekend staat als PBT-OP uit twee in de handel verkrijgbare monomeren en één gemakkelijk te synthetiseren monomeer. Wei Ma, een postdoctoraal natuurkundig onderzoeker van NC State en corresponderende auteur op een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, voerde de röntgenanalyse uit van de structuur van het polymeer en de donor:acceptormorfologie.

PBT-OP was niet alleen gemakkelijker te maken dan andere veelgebruikte polymeren, maar een eenvoudige manipulatie van de chemische structuur gaf het een lager HOMO-niveau dan was gezien in andere polymeren met dezelfde moleculaire ruggengraat. PBT-OP toonde een nullastspanning (de beschikbare spanning van een zonnecel) waarde van 0,78 volt, een stijging van 36 procent ten opzichte van het gemiddelde van ~ 0,6 volt van vergelijkbare polymeren.

Volgens NC State natuurkundige en co-auteur Harald Ade, de aanpak van het team heeft verschillende voordelen. "Het mogelijke nadeel bij het veranderen van de moleculaire structuur van deze materialen is dat je één aspect van de zonnecel kunt verbeteren, maar onbedoeld onbedoelde gevolgen creëert in apparaten die de oorspronkelijke bedoeling teniet doen, "zegt hij. "In dit geval, we hebben een chemisch gemakkelijke manier gevonden om de elektronische structuur te veranderen en de efficiëntie van het apparaat te verbeteren door een groter deel van de energie van het licht op te vangen, zonder het vermogen van het materiaal om te absorberen te veranderen, energie te creëren en te transporteren."

De bevindingen van de onderzoekers verschijnen in Geavanceerde materialen . Het onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en het Chinese ministerie van Wetenschap en Technologie. Dr. Maojie Zhang synthetiseerde de polymeren; Xia Guo, Shaoqing Zhang en Lijun Huo van de Chinese Academie van Wetenschappen droegen ook bij aan het werk.