Magnetische nanodeeltjes kunnen de prestaties van zonnecellen die gemaakt zijn van polymeren verhogen, mits de mix goed is. Dit is het resultaat van een röntgenonderzoek bij DESY's synchrotronstralingsbron PETRA III. Door ongeveer één procent van dergelijke nanodeeltjes in gewicht toe te voegen, worden de zonnecellen efficiënter, volgens de bevindingen van een team van wetenschappers onder leiding van Prof. Peter Müller-Buschbaum van de Technische Universiteit van München. Ze presenteren hun studie in een van de komende nummers van het tijdschrift Geavanceerde energiematerialen (vooraf online gepubliceerd).

Polymeer, of biologisch, zonnecellen bieden een enorm potentieel:ze zijn goedkoop, flexibel en extreem veelzijdig. Hun nadeel in vergelijking met gevestigde siliciumzonnecellen is hun lagere efficiëntie. Typisch, ze zetten slechts een paar procent van het invallende licht om in elektrische stroom. Hoe dan ook, organische zonnecellen zijn in veel situaties al economisch haalbaar, en wetenschappers zoeken naar nieuwe manieren om hun efficiëntie te verhogen.

Een veelbelovende methode is de toevoeging van nanodeeltjes. Het is aangetoond, bijvoorbeeld, dat gouden nanodeeltjes extra zonlicht absorberen, die op zijn beurt extra elektrische ladingsdragers produceert wanneer de energie weer vrijkomt door de gouddeeltjes.

Het team van Müller-Buschbaum heeft een andere aanpak gevolgd, echter. "Het licht creëert paren ladingsdragers in de zonnecel, bestaande uit een negatief geladen elektron en een positief geladen gat, dat is een plaats waar een elektron ontbreekt, " legt de hoofdauteur van de huidige studie uit, Daniel Moseguí González van de groep van Müller-Buschbaum. "De kunst van het maken van een organische zonnecel is om dit elektron-gat-paar te scheiden voordat ze kunnen recombineren. Als ze dat deden, de geproduceerde lading zou verloren gaan. We zochten naar manieren om de levensduur van het elektron-gatpaar te verlengen, waardoor we er meer van kunnen scheiden en ze naar tegenovergestelde elektroden kunnen leiden."

Deze strategie maakt gebruik van een kwantumfysisch principe dat stelt dat elektronen een soort interne rotatie hebben, bekend als spin. Volgens de wetten van de kwantumfysica, deze spin heeft een waarde van 1/2. Het positief geladen gat heeft ook een spin van 1/2. De twee spins kunnen optellen, als ze in dezelfde richting zijn, of elkaar opheffen als ze in tegengestelde richtingen zijn. Het elektron-gatpaar kan dus een totale spin van 0 of 1 hebben. Paren met een spin van 1 bestaan ​​langer dan die met een totale spin van 0.

De onderzoekers gingen op zoek naar een materiaal dat in staat was om de spin 0-toestand om te zetten in een spin 1-toestand. Hiervoor waren nanodeeltjes van zware elementen nodig, die de spin van het elektron of het gat omdraaien zodat de spins van de twee deeltjes in dezelfde richting zijn uitgelijnd. Het ijzeroxidemagnetiet (Fe3O4) is daartoe in staat. "Bij ons experiment het toevoegen van magnetiet nanodeeltjes aan het substraat verhoogde de efficiëntie van de zonnecellen tot 11 procent, " meldt Moseguí González. De levensduur van het elektron-gat-paar is aanzienlijk verlengd.

Het toevoegen van nanodeeltjes is een routinematige procedure die gemakkelijk kan worden uitgevoerd in de loop van de verschillende methoden voor het vervaardigen van organische zonnecellen. Het is belangrijk, echter, om niet te veel nanodeeltjes aan de zonnecel toe te voegen, omdat de interne structuur van organische zonnecellen fijn is aangepast om de afstand tussen het licht te optimaliseren, actieve materialen, zodat de paren ladingsdragers zo efficiënt mogelijk kunnen worden gescheiden. Deze structuren liggen in het bereik van 10 tot 100 nanometer.

"Uit het röntgenonderzoek blijkt dat als je een groot aantal nanodeeltjes mengt in het materiaal waaruit de zonnecel is gemaakt, je verandert de structuur", legt co-auteur Dr. Stephan Roth uit, hoofd van DESY's bundellijn P03 bij PETRA III, waar de experimenten werden uitgevoerd. "De zonnecel die we hebben bekeken, tolereert dopingniveaus van magnetiet-nanodeeltjes tot één massaprocent zonder hun structuur te veranderen."

De wetenschappers zagen het grootste effect toen ze het substraat dopen met 0,6 gewichtsprocent nanodeeltjes. Hierdoor steeg het rendement van de onderzochte polymere zonnecel van 3,05 naar 3,37 procent. "Een toename van 11 procent in energieopbrengst kan cruciaal zijn om een ​​materiaal economisch levensvatbaar te maken voor een bepaalde toepassing, " benadrukt Müller-Buschbaum.

De onderzoekers denken dat het ook mogelijk zal zijn om de efficiëntie van andere polymere zonnecellen te verhogen door ze te doteren met nanodeeltjes. "De combinatie van hoogwaardige polymeren met nanodeeltjes belooft een verdere verhoging van de efficiëntie van organische zonnecellen in de toekomst. zonder uitgebreid onderzoek, zoals die met behulp van de röntgenstralen uitgezonden door een synchrotron, het zou onmogelijk zijn om een ​​fundamenteel begrip te krijgen van de onderliggende processen die daarbij betrokken zijn, ’, besluit Müller-Buschbaum.