Hoe Organische Halfgeleiders de Zonne-energie Revolutie Vormgeven

Onderzoekers hebben de opwekking van zonne-energie verbeterd door organische halfgeleiders te ontwikkelen die een goedkoper, flexibeler alternatief bieden voor silicium. Een recente doorbraak onthult dat deze materialen hogere efficiënties kunnen bereiken door een uniek mechanisme waarbij elektronen energie krijgen, waardoor de weg vrijkomt voor meer effectieve zonnecellen en brandstofproductietechnologieën.

Zonne-energie speelt een cruciale rol in de overgang naar een toekomst met schone energie. Meestal wordt silicium, een veelvoorkomende halfgeleider in alledaagse elektronica, gebruikt om zonne-energie te oogsten. Echter, silicium zonnepanelen hebben beperkingen - ze zijn duur en moeilijk te installeren op gebogen oppervlakken.

Onderzoekers hebben alternatieve materialen ontwikkeld voor de opwekking van zonne-energie om dergelijke tekortkomingen op te lossen. Een van de meest veelbelovende zijn de zogenaamde "organische" halfgeleiders, op koolstof gebaseerde halfgeleiders die overvloedig aanwezig zijn, goedkoper en milieuvriendelijk.

"Ze kunnen potentieel de productiekosten voor zonnepanelen verlagen omdat deze materialen op willekeurige oppervlakken kunnen worden aangebracht met oplossingsgebaseerde methoden - net zoals we een muur schilderen," zei Wai-Lun Chan, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Kansas. "Deze organische materialen kunnen worden afgesteld om licht op geselecteerde golflengten te absorberen, wat kan worden gebruikt om transparante zonnepanelen of panelen met verschillende kleuren te creëren. Deze kenmerken maken organische zonnepanelen bijzonder geschikt voor gebruik in groene en duurzame gebouwen van de volgende generatie."

Hoewel organische halfgeleiders al zijn gebruikt in het displaypaneel van consumentenelektronica zoals mobiele telefoons, tv's en virtual-reality headsets, worden ze nog niet veel gebruikt in commerciële zonnepanelen. Een tekortkoming van organische zonnecellen is hun lage licht-naar-elektrische omzettingsefficiëntie, ongeveer 12% in vergelijking met enkelfasige silicium zonnecellen die presteren bij een efficiëntie van 25%.

Volgens Chan binden elektronen in organische halfgeleiders typisch aan hun positieve tegenhangers die 'gaten' worden genoemd. Op deze manier produceren organische halfgeleiders vaak door licht geabsorbeerde elektrisch neutrale quasi-deeltjes die "exciotenen" worden genoemd.

Maar de recente ontwikkeling van een nieuwe klasse organische halfgeleiders die bekendstaan als niet-fullereen acceptoren (NFAs) veranderde dit paradigma. Organische zonnecellen gemaakt met NFAs kunnen een efficiëntie tot dicht bij de 20% bereiken.

Ondanks hun uitstekende prestaties is het aan de wetenschappelijke gemeenschap nog niet duidelijk waarom deze nieuwe klasse NFAs significant beter presteert dan andere organische halfgeleiders.

In een baanbrekende studie die verscheen in Advanced Materials, hebben Chan en zijn team, waaronder promovendi Kushal Rijal (hoofdauteur), Neno Fuller en Fatimah Rudayni van de afdeling Natuurkunde en Astronomie, en in samenwerking met Cindy Berrie, hoogleraar chemie aan KU, een microscopisch mechanisme ontdekt dat deels de uitstekende prestaties verklaart die zijn bereikt door een NFA.

Hoofdauteur Kushal Rijal (rechts) en Neno Fuller (links) voerden de TR-TPPE-meting uit met behulp van het ultraschone-vacuüm foto-emissiespectroscopiesysteem dat op de foto wordt getoond. Credit: Kushal en Fuller

De sleutel tot deze ontdekking waren metingen die hoofdauteur Rijal deed met behulp van een experimentele techniek die "tijdgeresolveerde tweefotonenfoto-emissiespectroscopie" of TR-TPPE wordt genoemd. Deze methode stelde het team in staat om de energie van opgewonden elektronen bij te houden met een tijdsoplossing van minder dan een biljoenste van een seconde.

"Bij deze metingen zag Kushal [Rijal] dat sommige van de optisch opgewonden elektronen in de NFA energie kunnen krijgen van de omgeving in plaats van energie te verliezen aan de omgeving," aldus Chan. "Deze observatie is tegenintuïtief omdat opgewonden elektronen meestal hun energie verliezen aan de omgeving, zoals een kop hete koffie die zijn hitte aan de omgeving verliest."

Het team, wiens werk werd ondersteund door het Office of Basic Energy Sciences van het Ministerie van Energie, gelooft dat dit ongebruikelijke proces op microscopische schaal plaatsvindt dankzij het kwantumgedrag van elektronen, waardoor een opgewonden elektron tegelijkertijd op verschillende moleculen kan verschijnen. Deze kwantumvreemdheid combineert met de Tweede Wet van de Thermodynamica, die stelt dat elk fysisch proces zal leiden tot een toename van de totale entropie (vaak bekend als "wanorde") om het ongewone energiewinstproces te produceren.

"In de meeste gevallen geeft een heet object warmte af aan zijn koude omgeving omdat de warmteoverdracht leidt tot een toename van de totale entropie," zei Rijal. "Maar we hebben ontdekt dat voor organische moleculen gerangschikt in een specifieke nanoschaalstructuur de typische richting van de warmtestroom wordt omgekeerd om de totale entropie te laten toenemen. Deze omgekeerde warmtestroom maakt het mogelijk dat neutrale excitonen warmte van de omgeving krijgen en zich opsplitsen in een paar positieve en negatieve ladingen. Deze vrije ladingen kunnen op hun beurt elektrische stroom produceren."