Hur organiska halvledare revolutionerar solenergi

Forskare har förbättrat utvinningen av solenergi genom att utveckla organiska halvledare som erbjuder ett billigare och mer anpassningsbart alternativ till kisel. Ett nyligen genomfört genombrott avslöjar att dessa material kan uppnå högre effektivitet genom en unik mekanism där elektroner får energi, vilket banar väg för effektivare solceller och teknik för bränsleproduktion.

Solenergi spelar en viktig roll i övergången till en framtid med ren energi. Vanligtvis används kisel, en vanlig halvledare som finns i vardagselektronik, för att skörda solenergi. Silikonsolpaneler har dock begränsningar - de är dyra och utmanande att installera på böjda ytor.

Forskare har utvecklat alternativa material för solenergiskörd för att lösa sådana brister. Bland de mest lovande av dessa kallas "organiska" halvledare, kolbaserade halvledare som är jordnära, billigare och miljövänliga.

"De kan potentiellt sänka produktionskostnaden för solpaneler eftersom dessa material kan beläggas på godtyckliga ytor med lösningsbaserade metoder - precis som hur vi målar en vägg", säger Wai-Lun Chan, docent i fysik och astronomi vid universitetet från Kansas. ”Dessa organiska material kan trimmas för att absorbera ljus vid utvalda våglängder, vilket kan användas för att skapa transparenta solpaneler eller paneler med olika färger. Dessa egenskaper gör organiska solpaneler särskilt lämpliga för användning i nästa generations gröna och hållbara byggnader.”

Även om organiska halvledare redan har använts i displaypanelen för konsumentelektronik som mobiltelefoner, TV-apparater och virtuell verklighetsheadset, har de ännu inte använts i stor utsträckning i kommersiella solpaneler. En brist hos organiska solceller har varit deras låga ljus-till-elektriska omvandlingseffektivitet, cirka 12 % jämfört med enkristallina kiselsolceller som presterar med en effektivitet på 25 %.

Enligt Chan binder elektroner i organiska halvledare vanligtvis till sina positiva motsvarigheter som kallas "hål". På detta sätt producerar ljus som absorberas av organiska halvledare ofta elektriskt neutrala kvasipartiklar som kallas "excitoner".

Men den senaste utvecklingen av en ny klass av organiska halvledare kända som icke-fullerenacceptorer (NFA) ändrade detta paradigm. Organiska solceller tillverkade med NFA kan nå en verkningsgrad närmare 20 %.

Trots deras enastående prestanda är det fortfarande oklart för forskarvärlden varför denna nya klass av NFA:er avsevärt överträffar andra organiska halvledare.

I en genombrottsstudie som visas i Advanced Materials, Chan och hans team, inklusive doktorander Kushal Rijal (huvudförfattare), Neno Fuller och Fatimah Rudayni från institutionen för fysik och astronomi, och i samarbete med Cindy Berrie, professor i kemi vid KU, har upptäckt en mikroskopisk mekanism som delvis löser den enastående prestanda som en NFA uppnår.

Huvudförfattaren Kushal Rijal (höger) och Neno Fuller (vänster) utförde TR-TPPE-mätningen med hjälp av fotoemissionsspektroskopisystemet med ultrahögt vakuum som visas på bilden. Kredit: Kushal och Fuller

Nyckeln till denna upptäckt var mätningar gjorda av huvudförfattaren Rijal med hjälp av en experimentell teknik kallad "tidsupplöst två foton fotoemissionsspektroskopi" eller TR-TPPE. Denna metod gjorde det möjligt för teamet att spåra energin hos exciterade elektroner med en tidsupplösning under pikosekunder (mindre än en biljondel av en sekund).

"I dessa mätningar observerade Kushal [Rijal] att några av de optiskt exciterade elektronerna i NFA kan få energi från miljön istället för att förlora energi till miljön," sa Chan. "Denna observation är kontraintuitiv eftersom exciterade elektroner vanligtvis förlorar sin energi till miljön som en kopp hett kaffe som förlorar sin värme till omgivningen."

Teamet, vars arbete stöddes av Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences, tror att denna ovanliga process sker i mikroskopisk skala tack vare elektronernas kvantbeteende, vilket gör att en exciterad elektron kan uppträda samtidigt på flera molekyler. Denna kvantkonstighet parar sig med termodynamikens andra lag, som säger att varje fysisk process kommer att leda till en ökning av den totala entropin (ofta känd som "störning") för att producera den ovanliga energiökningsprocessen.

"I de flesta fall överför ett hett föremål värme till sin kalla omgivning eftersom värmeöverföringen leder till en ökning av den totala entropin," sa Rijal. "Men vi fann för organiska molekyler arrangerade i en specifik nanoskalastruktur, att den typiska riktningen för värmeflödet är omvänd för att den totala entropin ska öka. Detta omvända värmeflöde tillåter neutrala excitoner att få värme från omgivningen och dissocierar till ett par positiva och negativa laddningar. Dessa gratisladdningar kan i sin tur producera elektrisk ström."