Så byggs effektiva organiska solceller

25 forskare från sju forskningsinstitutioner har slagit sina kloka huvuden ihop för att hitta regler för hur högeffektiva organiska solceller ska designas. Forskningen, som publicerats i Nature Materials, leds av LiU-forskaren Feng Gao.

Feng Gao 2016, IFM Foto: GORAN BILLESONOrganiska solceller, tillverkade av polymerer, har flera unika egenskaper jämfört med andra typer av solceller. De kan tillverkas till låga kostnader i en tryckpress och de kan göras genomskinliga och i olika färger. Böjligheten och den låga vikten gör att de kan användas för många olika applikationer, inte minst som kraftkälla för olika typer av sensorer.

En utmaning forskarna länge har brottats med är att de läcker energi och att energieffektiviteten därför blir lägre än för andra typer av solceller.

Minimala energiförluster

– Vi har nu formulerat enkla regler för hur energiförlusterna ska minimeras och vi har också visat ett antal exempel på organiska solceller med små förluster och hög energieffektivitet, säger Feng Gao, universitetslektor vid Avdelningen Biomolekylär och organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Designreglerna, som ställer några av de tidigare teorierna på ända, presenteras nu i en artikel i ansedda Nature Materials.

Med de nyfunna designreglerna börjar de organiska solcellerna nu komma ikapp sina konkurrenter när det gäller energieffektivitet - det vill säga hur stor del av solens strålning som omvandlas till elektricitet. Den teoretiska gränsen för hur stor andel av solens energi som kan tas tillvara i solceller ligger runt 33 procent. I labbet ligger solceller i kisel som bäst på 25 procent. För de organiska solcellerna har forskarna tidigare trott att den gränsen var lägre.

Solmodul för fönsterSolcellsmodul Foto: Thor Balkhed– Men nu vet vi att det inte är någon skillnad, den teoretiska gränsen är lika oberoende av om solcellen tillverkas i kisel, perovskiter eller polymerer, säger Olle Inganäs, professor i biomolekylär och organisk elektronik vid LiU.

Acceptormaterial

Det fenomen som ger de största energiförlusterna i en organisk solcell är vid laddningsseparationen mellan acceptor- och donatormolekylerna. När solen skickar energirika fotoner mot den organiska halvledande polymeren i solcellen flyttar sig elektroner i donatormaterialet till ett exciterat tillstånd, det bildas ett hål i grundtillstånden som elektronen fortfarande attraheras av. För att få elektronen att släppa taget tillsätter man ett acceptormaterial. Tyvärr leder det också till energiförluster och det är ett problem som forskarna brottats med i mer än två decennier.

Det forskarna nu har visat är om man minimerar potentialskillnaden mellan donator- och acceptormaterialen behöver elektronen bara ta ett litet språng och energiförlusten blir minimal. Hålen elektronerna lämnar efter sig sätter ändå fart på laddningstransporten.

Hög fotoluminiscens

Ett annat problem som minskar effektiviteten är att vissa laddningsbärare avger värme istället för ljus, som är det man önskar i en solcell.

Det problemet har forskarna också hittat en lösning på. För att en solcell ska kunna utnyttja en så stor del av solens spektrum som möjligt blandas två olika organiska halvledande material, ett med stort bandgap och ett annat med mindre. (Ett stort bandgap innebär en större skillnad i energinivåer och ju större bandgap desto mer energi skickar elektronen ut när den hoppar från ett tillstånd till ett annat.) Materialen har även olika hög fotoluminiscens, hög innebär att elektronen oftast släpper ifrån sig ljus, har materialet låg fotoluminiscens bildas istället värme.

– Den andra regeln vi funnit är att det gäller att välja material med lågt bandgap som också har hög fotoluminiscens, säger Feng Gao.

Grundläggande regler

Två grundläggande regler för att designa effektiva organiska solceller presenteras i artikeln i Nature Materials:
- Välj acceptormaterial med låg potentialskillnad i förhållande till donatormaterialet.
- Se till att den komponent som har lågt bandgap också har hög fotoluminiscens.

Tillsammans har nu forskarna vid de sju universiteten och instituten i USA, Kina och Europa, (elva av de 25 forskarna är verksamma vid LiU) tagit fram ett dussintal olika materialkombinationer, både sådana som tidigare beskrivits och helt nya, för att visa att de nya teorierna håller, teorier som delvis går stick i stäv med det man tidigare trott.

Ansvariga forskare och huvudförfattare är, förutom Feng Gao, även Artem A Bakulin från Imperial College i London och Veaceslav Coropceanu från the Georgia Institute of Technology. Forskningen har finansierats via anslag från finansiärer i Sverige, EU, USA och Kina och har även drivits inom ramen för den strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid LiU.

Design Rules for Minimizing Voltage Losses in High-Efficiency Organic Solar Cells, Deping Qian, Zilong Zhen, Huifeng Yao, Wolfgang Tress, Thomas R. Hopper, Shula Chen, Sunsun Li, Jing Liu, Shangshang Chen, Jiangbin Zhang, Xiao-Ke Liu, Bowei Gao, Liangqi Ouyang, Yingzhi Jin, Galia Pozina, Irina Buyanova, Weimin Chen, Olle Inganäs, Veaceslav Coropceanu, Jean-Luc Bredas, He Yan, Jianhui Hou, Fengling Zhang, Artem A. Bakulin, Feng Gao.
Nature Materials 2018, DOI 10.1038/s41563-018-0128-z

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Fler nyheter om organiska solceller
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll

Sidansvarig: Monica Westman Svenselius, monica.westman@liu.se