Kvantmekaniska fenomen styr i organiska solceller

26 mars 2020

Monica Westman Svenselius

Forskare vid Linköpings universitet har upptäckt ett kvantmekaniskt fenomen som påverkar bildandet av fria laddningar i de organiska solcellerna. ”Kan vi förstå på djupet vad det är som händer kan vi också öka effektiviteten”, säger Olle Inganäs, professor emeritus.

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 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.

Quingzhen Bian, IFM, solar cell Qingzhen Bian Foto Magnus Johansson

Kontakt

Nyheter Biomolekylär och organisk elektronik

Från labbet till kommersiell produkt – en lång och snårig väg

I ett laboratorium på Linköpings universitet jobbar forskare med att skapa framtidens solceller. Ett tvärvetenskapligt forskningsprojekt ska försöka hitta sätt att göra det kommersiellt.

Solcellsmaterial kan hjälpa självkörande bilar i mörkret

Forskare vid LiU har utvecklat en typ av sensor som kan upptäcka så kallat cirkulärt polariserande rött ljus. Studien banar väg för mer tillförlitliga självkörande fordon och andra användningsområden där mörkerseende är viktigt.

Två personer i ett labb med ett laserinstrument som står på ett bord fullt med sladdar.

Bättre cybersäkerhet med nya material

Digitalt informationsutbyte kan bli både säkrare, billigare och miljövänligare med hjälp av en ny typ av slumpgenerator för kryptering utvecklad vid LiU. Forskarna bakom studien menar att tekniken banar väg för en ny typ av kvantkommunikation.

Senaste nytt från LiU

LiU:s nya universitetsdirektör – en erfaren och driven chef

Anna Thörn blir ny universitetsdirektör vid LiU. Hon jobbar för närvarande som regiondirektör i Region Dalarna och har tidigare haft flera chefsbefattningar i Östergötland, bland annat som kommundirektör i både Norrköping och Söderköping.

Valborgstradition fyller 50 år

På valborgsmässoafton blir det som traditionen bjuder, vårsånger, vårtal och mösspåtagning med manskören Linköpings Studentsångare på Borggården utanför Linköpings slott. I år firar traditionen 50-årsjubileum.

En man som håller händerna runt en illustration av ett hjärta.

Pristagaren: ” Jag vill lära mig så mycket som möjligt om hur kroppen fungerar”

Tino Ebbers är 2024 års mottagare av Onkel Adams pris för framstående forskning vid Medicinska fakulteten. Hans forskning befinner sig i gränslandet mellan medicin och teknik och fokuserar på sjukdomar i hjärtat och blodkärlen.