Kvantmekaniska fenomen styr i organiska solceller

Doktoranden Qingzhen Bian fick märkliga resultat när han i experiment skulle optimera ett solcellsmaterial bestående av två ljusabsorberande polymerer och ett acceptormaterial. Olle Inganäs, professor emeritus vid avdelningen Biomolekylär och organisk elektronik, bad honom göra om för att utesluta mätfel. Gång på gång, i experiment utförda både vid LiU och hos kollegor i Lund, hände samma sak: i signaturen från den optiska absorptionen och bildandet av en fotoström i solcellsmaterialet uppstod en liten periodisk vågform under några hundra femtosekunder. Varför?

Förklaringen har publicerats i Nature Communications.

Koherens uppstår

Lite bakgrund: När ljus i form av fotoner absorberas i en halvledande polymer skapas ett så kallat exciterat tillstånd. Det består av hål i grundtillståndet som elektronerna fortfarande attraheras av - elektronerna släpper inte taget och laddningstransporten, fotoströmmen, uteblir. När den elektrondonerande polymeren blandas med en polymer som accepterar elektroner kan elektronerna frigöras. Elektronen behöver då bara ta ett litet språng för att komma loss och energiförlusten minimeras. Hålen elektronerna lämnar efter sig sätter fart på laddningstransporten och solcellen börjar leverera el.

Så långt är forskarna överens: men så dök den märkliga vågformen upp i experimenten.

Olle Inganäs, professor emeritus Foto THOR BALKHED– Den enda tänkbara förklaringen är att det uppstår en koherens mellan det exciterade systemet och de separerade laddningarna. Vi bad kvantkemister att titta på detta och det vi ser i experiment efter experiment stämmer väl med deras beräkningar, säger Olle Inganäs.

I den kvantmekaniska skalan vibrerar atomer, framför allt när de värms upp. Det är dessa vibrationer som på något vis samverkar med varandra och med det exciterade systemet av elektroner - vågfaserna följer varandra och det uppstår koherens.
– Koherensen bidrar till att skapa de laddningar som ger fotoströmmen, och det sker i rumstemperatur, men vi vet ännu inte varför eller hur, säger Olle Inganäs.

Molekyldesign

Samma kvantmekaniska koherens finns i den biologiska världen.
– Fenomenet finns och är betydelsefullt, men mer än så vet vi inte ännu. Inom biofysiken rasar en hetsig debatt om fotosyntetiska system har lärt sig att utnyttja koherensen eller inte. Jag ser det som osannolikt att naturen under årmiljoner av utveckling inte utnyttjat fenomenet till sin fördel, säger Olle Inganäs.

– Om vi bättre förstod hur laddningsbärarna bildas, vad det är som styr förloppet, borde vi kunna utnyttja det för att öka effektiviteten i de organiska solcellerna. Vibrationerna beror på molekylens struktur och kan vi designa molekyler som bidrar till att öka fotoströmmen kan vi också använda fenomenet till vår fördel, säger han.

Forskningen har i huvudsak finansierats via medel från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.

Vibronic coherence contributes to photocurrent generation in organic semiconductor heterojunction diodes, Qingzhen Bian, Fei Ma, Shula Chen, Qi Wei, Xiaojun Su, Irina A. Buyanova, Weimin M. Chen, Carlito S. Ponseca Jr, Mathieu Linares, Khadga J. Karki, Arkady Yartsev & Olle Inganäs. Nature Communications 2020. DOI 10.1038/s41467-020-14476-w

Qingzhen Bian försvarar sin doktorsavhandling 2 april 2020, på Campus Valla, Linköpings universitet.
Excitonic and charge carrier transport in organic materials and device applications, Qingzhen Bian, Biomolekylär och organisk elektronik, Institutionen för fysik, kemi och biologi, 2020.

Qingzhen Bian  Foto Magnus Johansson