26 mars 2020

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.

Qingzhen Bian
Qingzhen Bian fick göra om experimentet många gånger, men resultatet blev det samma. Fotograf: Magnus Johansson
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 InganäsOlle 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.

Quingzhen Bian, IFM, solar cellQingzhen Bian Foto Magnus Johansson

Kontakt

Nyheter Biomolekylär och organisk elektronik

Porträtt( Feng Gao).

Prestigefyllt fysikpris till Feng Gao

Årets Göran Gustafssonpris i fysik går till LiU-professorn Feng Gao. Hans forskning fokuserar på hur nya material kan användas för nästa generations solceller och lysdioder bland annat. Prissumman ligger på totalt 7,5 miljoner kronor.

Forskare håller en lysande glasplatta i pincett.

Framtidens lysdioder är billiga och miljövänliga

Kostnad, teknisk prestanda och miljöpåverkan – det är de tre viktigaste aspekterna för att en ny typ av lysdiodsteknik ska få brett kommersiellt genomslag på i samhället. Det har LiU-forskare kommit fram till i ett tvärvetenskapligt samarbete.

En bägare fylld med vatten där en liten solcell löses upp.

Nästa generations solcell är helt återvinningsbar

I en studie publicerad i Nature har forskare vid LiU utvecklat en metod för att återvinna alla delar av en solcell upprepade gånger utan miljöfarliga lösningsmedel. Den återvunna solcellen har samma effektivitet som den ursprungliga.

Senaste nytt från LiU

LiU satsar på AI-labb för framtidens lärande

Linköpings universitet satsar 3 miljoner kronor på AIST-labbet, en ny plattform för forskning och utbildning kring AI i undervisning. Målet är att utveckla och kritiskt ganska hur AI kan förbättra lärande och lärarutbildning.

LiU får kvalitetsstämpel av EU

Linköpings universitet har tilldelats EU-kommissionens utmärkelse HR Excellence in Research Award. Det är en kvalitetsstämpel som visar att universitetet arbetar systematiskt med att förbättra forskarnas arbetsvillkor.

Studenter på kursen Scholars at risk student led workshop

Akademisk frihet i praktiken

Den lilla gruppen master-studenter vid programmet Etnicitet och Migration på Campus Norrköping är unik. De är först i Sverige att gå en universitetskurs i hur man skapar en kampanj till stöd för en fängslad forskare och för den akademiska friheten.