– För att kunna utnyttja den fulla potentialen hos organiska solceller behövs en tydlig bild över hur de fungerar. Det har vi fått nu. Det är ger bättre förståelse för hur vi ska skapa nya effektiva och hållbara solcellsmaterial,Mats Fahlman, professor i ytors fysik och kemi vid Laboratoriet för organisk elektronik. Foto Thor Balkhed säger Mats Fahlman, professor vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet.
Idag står solenergi för cirka två procent av världens energibehov. Men potentialen är betydligt större än så. Den energi som finns i solens strålar är mer än tillräcklig för att täcka vårt behov idag och i framtiden. För att lyckas krävs solceller som är billiga och miljövänliga att tillverka. Dessutom behöver de vara effektiva på att ta upp en stor del av solens strålar och omvandla till elenergi.
Miljövänliga solceller
Organiska solceller baserade på ledande polymerer framstår alltmer som ett hållbart alternativ. Men fram till för bara några år sedan kunde de inte mäta sig i effektivitet med traditionella kiselbaserade solceller. Xian’e Li och Qilun Zhang är båda doktorander vid Laboratoriet för organisk elektronik och har lett arbetet med att kartlägga energinivåerna. Foto Thor Balkhed Det berodde på en energiförlust vid laddningsseparationen som man trodde var ofrånkomlig.
Men år 2016 kunde ett forskarlag vid Linköpings universitet tillsammans med kollegor i Hong Kong, visa att det gick att undvika energiförlusten med hjälp av andra donator-acceptor-material som hjälper elektronen att släppa från sitt hål lättare. Då minskade energiförlusten och effektiviteten ökade. Problemet var att ingen visste exakt hur det gick till. Det gick att se att det fungerade, men inte varför.
"Som en jordgubbstårta"
Nu har delvis samma forskarlag vid Linköpings universitet löst mysteriet som gett upphov till oenighet inom forskningsfältet. I en ny studie publicerad i Nature Communications har forskarna kartlagt vilka energinivåer som krävs för att minimera energiförlusterna.
Ledande polymerfilm som analyseras. Foto Thor Balkhed – För att ta reda på hur energin flödar har vi lagt nanometertjocka ledande polymerfilmer i flera lager ovanpå varandra, ungefär som en jordgubbstårta. Efter det har vi mätt energin som krävs för att separera elektronerna från sina hål i varje enskilt lager, säger Xian’e Li, doktorand vid Linköpings universitet och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln.
Forskarna kunde då klarlägga mekanismen bakom den energieffektiva laddningsseparationen. Genom den systematiska kartläggningen stakas en ny väg ut för utvecklingen av organiska solceller.
Studien är finansierad av Vetenskapsrådet, Energimyndigheten samt regeringens strategiska satsning Avancerade funktionella material vid Linköpings universitet.
Artikeln: Mapping the energy level alignment at donor/ acceptor interfaces in non-fullerene organic solar cells Xian’e Li, Qilun Zhang, Jianwei Yu, Ye Xu, Rui Zhang, Chuanfei Wang, Huotian Zhang, Simone Fabiano, Xianjie Liu, Jianhui Hou, Feng Gao & Mats Fahlman Nature Communications 13 2022 doi: 10.1038/s41467-022-29702-w
Fotnot: De organiska solcellerna i studien är av en typ där elektronacceptorn är tillverkad av ett annat material än fulleren (en form av kol) vilket tidigare var det vanligaste. Icke-fulleren-baserade organiska solceller blir mer stabila och har en förmåga att ta upp en större andel av solens strålar för att omvandla till energi.
Xian'e Li, doktorand Linköpings universitet. Foto Thor Balkhed
