Wie organische Solarzellen (wirklich) Arbeit
Als Wissenschaftler Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln zu diskutieren, wie organische Solarzellen weiter, eine neue Studie schlägt vor, die vorherrschende Arbeits Theorie falsch ist.
Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht. könnte künftige Anstrengungen lenken Materialien zu entwickeln, die die Leistungsfähigkeit von organischen Zellen steigern.
„Wir wissen, dass die organische Photovoltaik ist sehr gut“, sagt Studie Co-Autor Michael McGehee, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University. „Die Frage ist, warum sind sie so gut? Die Antwort ist umstritten.“
Was verursacht die Spaltung?
Eine typische organische Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten aus Kunststoff-Polymeren und anderen flexiblen Materialien. Die Zelle erzeugt Elektrizität durch Partikel von Licht oder Photonen zu absorbieren.
Wenn die Zelle Licht absorbiert, schlägt ein Photon ein Elektron in einem Polymer Atom out, hinter einem leeren Raum zu verlassen, die Wissenschaftler als Loch beziehen. Das Elektron und das Loch sofort bilden ein verbundenes Paar ein Exziton genannt.
Die Exzitonen aufteilt, so dass das Elektron unabhängig mit einem Loch von einem anderen absorbierten Photons erzeugt bewegen. Diese kontinuierliche Bewegung der Elektronen von Loch zu Loch erzeugt einen elektrischen Strom.
In der Studie, adressierte das Team eine langjährige Debatte über das, was bewirkt, dass das Exziton zu spalten.
„Um einen Strom zu erzeugen, müssen Sie das Elektron und das Loch trennen“, sagt Senior-Autor Alberto Salleo, Associate Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford. „Das erfordert zwei verschiedene Halbleitermaterialien.
Wenn das Elektron an Material B A mehr als Material angezogen wird, fällt es in dem Material B. In der Theorie sollte das Elektron an das Loch gebunden bleiben, selbst nachdem es abfällt.
„Die grundlegende Frage, die sich um eine lange Zeit gewesen ist, wie funktioniert dieses gebundenen Zustand Split?“
Die heiße Wirkung
Eine Erklärung weit von den Wissenschaftlern akzeptiert ist bekannt als der „hot-Exziton-Effekt.“ Die Idee ist, dass das Elektron zusätzliche Energie trägt, wenn er fällt von Material A Material B Der zusätzlichen Energie verleiht die aufgeregt ( „hot“) Elektron genug Geschwindigkeit Flucht aus dem Loch.
Aber diese Hypothese stand nicht auf experimentelle Tests auf, so das Team.
„In unserer Studie haben wir festgestellt, dass der heiße Exziton-Effekt existiert nicht“, sagt Salleo. „Wir maßen optische Emissionen aus den Halbleitermaterialien und festgestellt, dass zusätzliche Energie nicht erforderlich, um eine Exziton aufgeteilt.“
Also, was tatsächlich bewirkt, dass Elektron-Loch-Paare zu trennen?
„Wir haben nicht wirklich diese Frage noch nicht beantwortet“, sagt Salleo. „Wir haben ein paar Hinweise. Wir denken, dass die ungeordnete Anordnung der Kunststoffpolymeren in dem Halbleiter das Elektron weg helfen könnte.“
In einer aktuellen Studie entdeckte Salleo dass Unordnung auf molekularer Ebene tatsächlich verbessert die Leistungsfähigkeit von Polymeren in Solarzellen halb. Durch die Fokussierung auf die inhärente Störung von Kunststoffpolymeren, Forscher neue Materialien entwickeln könnten, die Elektronen von der Solarzelle Schnittstelle ziehen, wo die beiden Halbleiterschichten treffen, fügt er hinzu.
„In organischen Solarzellen ist die Schnittstelle immer ungeordneter ist als die Fläche weiter weg“, erklärt Salleo. „Das schafft ein natürliches Gefälle, daß das Elektron aus den ungeordneten Bereichen in die geordneten Bereiche ansaugt. “
Effizienter
Die Solarzellen in dem Experiment verwendet wurden, haben einen Energie-Umwandlungswirkungsgrad von etwa 9 Prozent. Das Stanford-Team hofft, dass die Leistung zu verbessern, indem Halbleiter entwickeln, die die Vorteile des Zusammenspiels zwischen Ordnung und Unordnung nehmen.
„Um eine bessere organische Solarzelle zu machen, haben die Menschen für Materialien suchen, den Ihnen einen stärkeren heißen Exziton-Effekt geben würde“, sagt Salleo. „Sie sollten stattdessen herauszufinden versuchen, wie das Elektron entkommt, ohne es zu heiß sein. Diese Idee ist ziemlich umstritten. Es ist eine grundlegende Veränderung in der Art, wie Menschen über Photo Generation denken.“
Mitwirkende sind Forscher von der Universität Potsdam; das Institut für Angewandte Photophysik; die University of California, Berkeley; der König Abdullah Universität für Wissenschaft und Technologie; der Colorado School of Mines; und die University of Oxford.
Das Stanford Center for Advanced Molecular Photovoltaik und das US Department of Energy, die Arbeit.