LiU-forskare flyttar gränsen för organiska solceller

Nu har forskare vid Linköpings universitet visat hur organiska solceller kan bli mer effektiva än man tidigare trodde var möjligt. Nyckeln är att förlänga tiden elektronerna i materialet är exciterade vilket leder till bättre prestanda. Fynden är publicerade i tidskriften Nature Photonics.

Organiska solceller är gjorda av ledande plaster och har därför eftertraktade egenskaper som låg tillverkningskostnad, lätt vikt och hög flexibilitet. Dessutom kan de vara halvgenomskinliga och tillverkas i stor skala. Egenskaperna särskiljer dem från traditionella solceller av kisel och öppnar för många nya användningsområden – bland annat kan de användas inomhus, för att driva personelektronik eller olika typer av sensorer.

Andelen av solens strålar som omvandlas till energi, kallat effektivitet eller verkningsgrad, har på tio år gått från cirka 10 procent till över 20 hos organiska solceller. Forskare har antagit att gränsen för förbättring är nådd. Fram till nu.

– 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.

För att öka verkningsgraden hos organiska solceller har Linköpingsforskarna undersökt den så kallade fyllnadsfaktorn för solceller som utgjort en begränsning. Det är en av tre parametrar som beskriver hur effektivt solcellen omvandlar ljus till el under drift och är en av de viktigaste faktorerna bakom hög verkningsgrad.

– Det är en komplicerad parameter som inte är så väl undersökt hos organiska solceller, säger Feng Gao.

Organiska solceller består av två material som placeras tätt ihop, som kallas donator respektive acceptor. När solljuset absorberas avger det energi till elektroner, så att de hamnar i ett så kallat exciterat tillstånd. För att solcellen ska fungera effektivt måste de exciterade elektronerna flytta sig till acceptormaterialet medan de motsvarande positiva laddningarna blir kvar i donatormaterialet. Laddningarna kan sen röra sig genom solcellen och energi alstras.

Huotian Zhang, postdoktor i Feng Gaos forskargrupp, är försteförfattare till studien publicerad i Nature Photonics. Han har undersökt över 100 olika materialkombinationer för att förstå hur fyllnadsfaktorn påverkar effektiviteten och hur den kan förbättras. Hans slutsats är att nyckeln till en effektivare solcell är att förlänga tiden som elektronen är exciterad.

– 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 är i huvudsak finansierad av Vetenskapsrådet, Göran Gustafsson priset samt via den svenska regeringens strategiska forskningsområde inom avancerade funktionella materiel (AFM) vid Linköpings universitet. Feng Gao är Wallenberg scholar.

Artikel: Overcoming the fill-factor limit of organic solar cells, Huotian Zhang, Jun Yuan, Tong Wang, Yijie Nai, Nurlan Tokmoldin, Wei Liu, Shanchao Ouyang, Rokas Jasiu̅nas, Yiting Liu, Yuxuan Li, Saeed Shadabroo, Manasi Pranav, Nakul Jain, Xiaolei Zhang, Veaceslav Coropceanu, Artem A. Bakulin, Sai-Wing Tsang, Vidmantas Gulbinas, Safa Shoaee, Yingping Zou, Dieter Neher, Thomas Kirchartz, Feng Gao, Nature Photonics 2026, publicerad online 19 juni 2026. DOI: 10.1038/s41566-026-01946-8

Kontakt: Feng Gao, professor, feng.gao@liu.se, 013-28 68 82