Fotovoltaïsche apparaten, ook wel zonnecellen genoemd, produceren elektrische stroom bij blootstelling aan licht, en die technologie heeft een snelgroeiende industrie mogelijk gemaakt. De meest bekende ontwerpen gebruiken stijve lagen siliciumkristal. Maar onlangs, intense belangstelling is gericht op organische fotovoltaïsche (OP) apparaten die goedkope organische halfgeleidermaterialen gebruiken die zijn ingeklemd tussen twee metalen elektroden. OP-apparaten kunnen flexibel en gemakkelijk draagbaar worden gemaakt. Stel je een tent voor die eenmaal opgezet, fungeert als een groot zonnestelsel dat kan worden gebruikt om draagbare elektronica en verlichting op te laden voor de komende nacht van kamperen.

Echter, op dit moment worden organische fotovoltaïsche apparaten gehinderd door een laag rendement ten opzichte van commerciële zonnecellen - deels omdat het kwantificeren van hun elektrische eigenschappen een uitdaging is gebleken. Daarom, voorspellende modellen en kwantitatieve statistieken voor apparaatprestaties zijn van cruciaal belang.

Wetenschappers van NIST's Physical Measurement Laboratory, onder leiding van David Gundlach en Curt Richter van de Divisie Semiconductor and Dimensional Metrology, samen met James Basham, een gastonderzoeker van Penn State University, hebben een methode ontwikkeld die de voorspelling van de stroomdichtheid-spanningscurve van een fotovoltaïsch apparaat mogelijk maakt. ¹ Deze nieuwe methode maakt gebruik van een gemeenschappelijke meettechniek (impedantiespectroscopie) die betaalbaar, algemeen beschikbaar voor fabrikanten, en relatief eenvoudig uit te voeren. De techniek is herhaalbaar, niet-destructief, redelijk snel (≈15 min om een ​​apparaat te testen), en biedt - dankzij een grondige analyse en methodologie die door Basham is gemaakt - een uitgebreide uitlezing van de stroom-spanningseigenschappen van het apparaat die voorheen ongrijpbaar waren voor de meeste onderzoekers die in het veld werkten. Eindelijk, met deze techniek kan het apparaat worden getest in real-word-omstandigheden.

"Deze meetdoorbraak moet ons in staat stellen om sneller zonnecellen te optimaliseren, Richter stelt. "We kunnen door het hele apparaat heen kijken wat er elektronisch gebeurt. belangrijk, hoe lang bestaat de lading als deze eenmaal is gecreëerd en hoe lang duurt het om de fotogegenereerde lading door het halfgeleidermengsel naar de elektroden te krijgen? Hoe groter het verschil tussen de levensduur van de lading en de looptijd van het apparaat, hoe groter de kans dat een fotovoltaïsch apparaat een efficiëntere stroombron zal zijn."

Momenteel op laboratoriumniveau, stroom-spanningstests van organische fotovoltaïsche apparaten worden meestal gedaan door de werking van het apparaat aan beide uiteinden van het biasspectrum van het apparaat te analyseren, dat wil zeggen, een kortsluiting of een open circuit - en proberen uit die resultaten af ​​te leiden wat er elektrisch in het apparaat gebeurt. Maar, wanneer het apparaat niet presteert als een "leerboek" of "ideale" zonnecel, wordt het beeld van wat er in het apparaat gebeurt tussen deze bias-extremen snel vertroebeld.

"Die aanpak werkt alleen als de recombinatie (waarbij de ladingsdragers worden geëlimineerd in plaats van door het apparaat te blijven stromen) bij de ene bias nominaal identiek is aan de ladingsgeneratie aan de andere, "zegt Gundlach. "In een goed apparaat, die zouden ongeveer gelijk moeten zijn. In een niet-ideaal apparaat, ze kunnen enorm verschillen. Met onze techniek, we kunnen het volledige scala van kenmerken van het ene uiterste naar het andere in kaart brengen en generatie ontwarren, vervoer, en verschillende verliesmechanismen over het hele biasbereik."

De output van deze nieuwe techniek is de nauwkeurige reproductie van de stroomdichtheid-spanningscurve van het apparaat over het gehele spanningsbereik tussen de bias-extremen. Dit stelt onderzoekers in staat om vast te stellen waar er problemen zijn in het apparaat en kan dienen als een blauwdruk voor wat er in het apparaat moet worden opgelost.

"Het combineren van de fysieke eigenschappen, levens, en dragerconcentraties met een nauwkeurig beeld op nanoschaal van de microstructuur van de halfgeleiderfilm, geeft echt een compleet beeld van hoe het apparaat werkt en wat deze apparaten ervan weerhoudt hun theoretisch voorspelde prestatielimieten te bereiken, " legt Gundlach uit. "Onze collega's in het Materials Measurement Laboratory van NIST hebben het begrip van de laatste enorm verbeterd. We zijn nu in een veel betere positie om alle stukjes informatie samen te voegen, en dan kunnen we meer fysiek nauwkeurige apparaatmodellen ontwikkelen, beter geïnformeerde richtlijnen voor materiaalontwerp, en uiteindelijk materiaaleigenschappen nauwer verbinden met verwerkingsmethoden en zonnecelprestaties."

En aangezien het fysische proces van organische fotovoltaïsche energie sterk lijkt op dat van andere organische halfgeleiders (organische lichtgevende diodes, bijvoorbeeld, die veel voorkomen in elektronische displays), toekomstige toepassingen van deze techniek in andere industrieën lijken ongecompliceerd.

"Veel van het begrip dat hier wordt ontwikkeld, kan ook worden toegepast om betere organische lichtemitterende diodes te maken, " legt Richter uit. De organische fotovoltaïsche monsters die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn intern ontwikkeld bij NIST. Het 100 nm dikke apparaat heeft een drielaagse structuur - een semi-transparante elektrode aan de bovenkant, de organische fotovoltaïsche, en een onderste elektrode - geplaatst op een stuk glas van 1 inch.

Voor de impedantiespectroscopiemetingen, het monster werd geïnstalleerd onder een LED-breedband wit licht, gekalibreerd op één Zonverlichting (natuurlijk zonlicht).

De meting zelf is conceptueel eenvoudig:"We brengen een oscillerende spanning over het apparaat aan en meten de stroom die eruit komt, Richter legt uit. "Dit doen we onder het gesimuleerde zonlicht. wiskundig, we kijken naar de faseverschuiving van de stroom uit ten opzichte van de spanning in."

deze resultaten, gecombineerd met de analyse en methodologie van Basham, bieden een relatief goedkope meting die een enorme waarde heeft bij het begrijpen van dominante verliesmechanismen over het gehele biasbereik van een apparaat.

"Nutsvoorzieningen, een klein startend bedrijf kan een impedantiespectrometer kopen en deze meting doen met ons papier in de hand, omdat het hen vertelt hoe, ', stelt Gundlach.

"We kunnen dezelfde metingen ook doen zonder de lichtbron langs hetzelfde spanningsbereik, "Gundlach gaat verder, "en je krijgt niet precies hetzelfde antwoord. Er zijn delen van de gemeenschap die hebben beweerd dat je deze donkere metingen kunt doen en hetzelfde antwoord kunt krijgen."

Recenter, Gundlach en Basham, in samenwerking met NIST's Material Measurement Laboratory, gebruikte deze techniek in combinatie met een aparte meettechniek genaamd Large Perturbation Transient Photovoltage (LPTP). ² Bij LPTP, het organische fotovoltaïsche monster wordt verlicht met een laserpuls, wat resulteert in een tijdelijke hoogspanning die in de loop van een tijd van nanoseconde tot seconden vervalt. De spanning wordt gemeten, en er wordt een gegevenscurve geproduceerd op basis van de tijd die nodig is om de spanning terug te laten vallen naar zijn donkere toestand. Deze resulterende gegevens bieden aanvullende informatie over de recombinatie-effecten in het apparaat die impedantiespectroscopie niet kan leveren.

Vergelijkingen van de door foto gegenereerde ladingslevensduur als functie van ladingsdichtheid over een groot bereik van ladingsdichtheid geproduceerd door beide methoden waren hetzelfde, bevestigend dat beide technieken op een gevoelige en nauwkeurige manier generatie- en recombinatieprocessen op een consistente manier kunnen meten.

"Dat is een belangrijke validatie van deze meettechnieken en analysemethoden die niet eerder expliciet is getoond voor deze apparaten; alleen aangenomen, ', stelt Gundlach.