Het doel om goedkope organische zonnecellen te maken is misschien iets toegankelijker geworden met een nieuw begrip van de basiswetenschap van ladingsscheiding, gepresenteerd in een artikel dat vandaag online is gepubliceerd, 3 februari in Natuurcommunicatie . Co-auteur van Penn State elektrotechnisch ingenieur Noel Giebink met hoofdauteur Bethany Bernardo, een student in zijn groep, en collega's bij IMEC in België, Nationaal laboratorium Argonne, Noordwest, en Princeton, de paper stelt ontwerpregels voor om in de toekomst efficiëntere zonnecellen te maken.

Organische zonnecellen hebben momenteel een toprendement van ongeveer 10 procent in het laboratorium, veel minder dan anorganisch monokristallijn silicium. Een van de uitdagingen voor het realiseren van efficiënte organische cellen ligt in het scheiden van de sterk gebonden paren bestaande uit een negatief geladen elektron en het positief geladen gat dat het gevolg is van lichtabsorptie, gezamenlijk aangeduid als een exciton. Het elektron en het gat moeten worden gescheiden om een ​​stroom te maken.

De manier waarop dit wordt gedaan is door een heterojunctie te creëren, dat zijn twee verschillende organische halfgeleiders naast elkaar, waarvan de ene graag een elektron afstaat en de andere die het elektron accepteert, waardoor het oorspronkelijke exciton wordt gesplitst in een elektron en een gat dat zich op nabijgelegen moleculen bevindt. Een al lang bestaande vraag in het veld, echter, is hoe het nabije elektron en gat - in dit stadium nog steeds sterk tot elkaar aangetrokken - erin slagen om volledig te scheiden om stroom te genereren met de efficiëntie die wordt waargenomen in de meeste zonnecellen.

De afgelopen jaren is een nieuw perspectief heeft voorgesteld dat de hoge scheidingsefficiëntie afhankelijk is van een kwantumeffect - het elektron of gat kan in een golfachtige toestand bestaan, verspreid over meerdere nabijgelegen moleculen tegelijkertijd. Wanneer de golffunctie van een van de dragers instort op een locatie ver genoeg verwijderd van zijn partner, de ladingen kunnen gemakkelijker scheiden. Het werk van Giebink en collega's levert overtuigend nieuw bewijs om deze interpretatie te ondersteunen en de nanokristalliniteit van het gemeenschappelijke acceptormateriaal gemaakt van C te identificeren. ₆₀ moleculen (ook bekend als fullerenen of buckyballs) als de sleutel die dit delokalisatie-effect mogelijk maakt.

Deze lokale kristallijne orde blijkt van cruciaal belang te zijn voor een efficiënte opwekking van fotostroom in organische zonnecellen, zegt Giebink. "Een algemene opvatting in de gemeenschap is dat het een hoop overtollige energie kost om het exciton uit elkaar te halen, wat betekende dat er een groot verschil in energieniveau moest zijn tussen het donor- en acceptormateriaal. Maar die grote energiecompensatie verlaagt de spanning van de zonnecel. Ons werk verdrijft deze waargenomen wisselwerking in het licht van de impact die delokalisatie van golffuncties en lokale kristalliniteit hebben op het ladingsscheidingsproces. Dit resultaat zou mensen moeten helpen bij het ontwerpen van nieuwe moleculen en het optimaliseren van donor- en acceptormorfologieën die helpen de zonnecelspanning te verhogen zonder de stroom op te offeren."

Het team gebruikte verschillende luminescentie- en elektroabsorptiespectroscopische technieken samen met röntgendiffractie om tot hun conclusie te komen. hun resultaten, gedetailleerd in het artikel getiteld "Delokalisatie en diëlektrische screening van ladingsoverdrachtstoestanden in organische fotovoltaïsche cellen, " zal andere groepen een beter begrip geven van ladingsscheiding bij het ontwerpen en modelleren van efficiëntere organische zonnecellen.