Forskare vid Linköpings universitet har presenterat resultat som visar hur organiska solceller kan förbättra sin verkningsgrad genom att förlänga tiden som elektroner befinner sig i ett exciterat tillstånd. Studien har publicerats i tidskriften Nature Photonics.
Organiska solceller tillverkas av ledande polymermaterial och kännetecknas av egenskaper som låg vikt, flexibilitet och möjlighet till storskalig produktion. De kan även vara halvgenomskinliga, vilket gör dem intressanta för användningsområden som inomhusenergi, konsumentelektronik och sensorteknik.
Under det senaste decenniet har verkningsgraden i organiska solceller ökat från omkring 10 procent till över 20 procent. Den nya studien undersöker möjligheterna att ytterligare förbättra prestandan genom att analysera en faktor som påverkar hur effektivt solcellen omvandlar ljus till elektricitet.
– Det vi visar i den här studien tar effektiviteten till nästa nivå. Med vår nya förståelse kan forskarsamhället förhoppningsvis förbättra verkningsgraden så att den kommer närmare den praktiska gränsen, säger Feng Gao, professor i optoelektronik vid Linköpings universitet.
Forskarna har fokuserat på den så kallade fyllnadsfaktorn – en av de parametrar som beskriver hur effektivt en solcell omvandlar ljus till el under drift.
– Det är en komplicerad parameter som inte är så väl undersökt hos organiska solceller, säger Feng Gao.
Organiska solceller bygger på samspelet mellan två material – donator och acceptor. När materialet absorberar ljus exciteras elektroner som därefter behöver separeras för att skapa elektrisk ström.
I studien analyserade forskarna fler än 100 materialkombinationer för att undersöka hur fyllnadsfaktorn påverkar verkningsgraden. Resultaten visar att längre livslängd för exciterade elektroner kan bidra till att mer av det absorberade ljuset omvandlas till användbar energi.
– Genom att kombinera grundläggande fysik med ny materialteknologi visade vi att verkningsgraden påverkas av samspelet mellan det elektriska fältet och fotoexcitationen. Genom att förlänga livslängden hos det exciterade tillståndet kan en större del av det absorberade ljuset omvandlas till användbar ström, vilket förbättrar enhetens prestanda, säger Huotian Zhang.
Han fortsätter:
– Resultaten visar att organiska halvledare kan fungera lika bra som oorganiska halvledare i fotovoltaiska tillämpningar. Fynden är dessutom relevanta för andra halvledartillämpningar. Nästa steg är att addera maskininlärning för att påskynda materialupptäckten och optimering av solcellen, säger Huotian Zhang.
Studien har huvudsakligen finansierats av Vetenskapsrådet, Göran Gustafsson-priset samt genom det strategiska forskningsområdet avancerade funktionella material (AFM) vid Linköpings universitet. Feng Gao är även Wallenberg scholar.
