Een onderzoeksteam onder leiding van de North Carolina State University heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om de rol te bepalen die de structuur van een materiaal heeft op de efficiëntie van organische zonnecellen. die in aanmerking komen voor goedkope, volgende generatie zonne-energie. De onderzoekers hebben de techniek gebruikt om te bepalen dat materialen met een sterk georganiseerde structuur op nanoschaal niet efficiënter zijn in het creëren van vrije elektronen dan slecht georganiseerde structuren - een bevinding die toekomstige onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen zal helpen sturen.

"Er zijn veel onderzoeken gedaan naar de efficiëntie van organische zonnecellen, maar het energieconversieproces omvat meerdere stappen - en het is moeilijk om de efficiëntie van elke stap te isoleren, " zegt dr. Brendan O'Connor, een assistent-professor werktuigbouwkunde bij NC State en senior auteur van een paper over het werk. "De techniek die we in ons nieuwe artikel bespreken, stelt ons in staat om die variabelen te ontwarren en ons te concentreren op één specifieke stap:de efficiëntie van excitondissociatie."

In grote lijnen, organische zonnecellen zetten licht in vier stappen om in elektrische stroom.

Eerst, de cel absorbeert zonlicht, die elektronen opwekt in de actieve laag van de cel. Elk geëxciteerd elektron laat een gat in de actieve laag achter. Het elektron en het gat worden samen een exciton genoemd. In de tweede stap, diffusie genoemd, het exciton springt rond totdat het een grensvlak met een ander organisch materiaal in de actieve laag tegenkomt. Wanneer de exciton deze interface ontmoet, je krijgt stap drie:dissociatie. Tijdens dissociatie, het exciton breekt uit elkaar, het vrijmaken van het elektron en het respectievelijke gat. In stap vier, genaamd incasso, het vrije elektron baant zich een weg door de actieve laag naar een punt waar het kan worden geoogst.

In eerder onderzoek naar organische zonnecellen, er was onduidelijkheid over de vraag of verschillen in efficiëntie te wijten waren aan dissociatie of ladingverzameling - omdat er geen duidelijke methode was om onderscheid te maken tussen de twee. Was een materiaal inefficiënt in het dissociëren van excitonen in vrije elektronen? Of maakte het materiaal het gewoon moeilijk voor vrije elektronen om hun weg naar buiten te vinden?

Om deze vragen te beantwoorden, de onderzoekers ontwikkelden een methode die voordeel haalt uit een bepaalde eigenschap van licht:als licht gepolariseerd is zodat het evenwijdig aan de lange as van organische zonnecelmoleculen "loopt", het zal worden geabsorbeerd; maar als het licht loodrecht op de moleculen staat, het gaat er dwars doorheen.

De onderzoekers creëerden zeer georganiseerde nanostructuren in een deel van de actieve laag van een organische zonnecel, wat betekent dat de moleculen in dat gedeelte allemaal op dezelfde manier liepen. Ze lieten de resterende delen van de cel ongeorganiseerd achter, wat betekent dat de moleculen in een heleboel verschillende richtingen liepen. Dankzij dit ontwerp konden de onderzoekers de georganiseerde delen van de cel effectief onzichtbaar maken door de polariteit van het licht dat op de actieve laag is gericht te regelen. Met andere woorden, de onderzoekers konden alleen het georganiseerde gedeelte of alleen het ongeorganiseerde gedeelte testen - ook al bevonden ze zich op dezelfde actieve laag van dezelfde zonnecel.

Omdat de ladingsverzameling voor beide regio's hetzelfde zou zijn (aangezien ze zich op dezelfde actieve laag bevonden), de techniek stelde de onderzoekers in staat om de mate te meten waarin de structurele organisatie de dissociatie-efficiëntie van het materiaal beïnvloedde.

"We ontdekten dat er geen verband was tussen dissociatie-efficiëntie en structurele organisatie, " zegt O'Connor. "Het was echt een verrassing, en het vertelt ons dat we geen sterk geordende nanostructuren nodig hebben voor een efficiënte generatie van vrije elektronen.

"In praktische termen deze techniek helpt efficiëntieverliezen van nieuw ontwikkelde materialen te onderscheiden, helpen bepalen welke materiaal- en nanostructuurkenmerken nodig zijn om de organische zonneceltechnologie vooruit te helpen."