Nytt ljus över organiska solceller

För att ställa om till en fossilfri energiförsörjning krävs bland annat effektiva och miljövänliga solceller. Forskare vid Linköpings universitet har kartlagt hur energin flödar i organiska solceller, något som hittills varit okänt. Resultaten kan bidra till mer effektiva solceller och är publicerade i Nature Communications.

– För att kunna utnyttja den fulla potentialen hos organiska solceller behövs en tydlig bild över hur de fungerar. Det har vi fått nu. Det är ger bättre förståelse för hur vi ska skapa nya effektiva och hållbara solcellsmaterial, säger Mats Fahlman, professor vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Idag står solenergi för cirka två procent av världens energibehov. Men potentialen är betydligt större än så. Den energi som finns i solens strålar är mer än tillräcklig för att täcka vårt behov idag och i framtiden. För att lyckas krävs solceller som är billiga och miljövänliga att tillverka. Dessutom behöver de vara effektiva på att ta upp en stor del av solens strålar och omvandla till elenergi.

Organiska solceller baserade på ledande polymerer framstår alltmer som ett hållbart alternativ. Men fram till för bara några år sedan kunde de inte mäta sig i effektivitet med traditionella kiselbaserade solceller. Det berodde på en energiförlust vid laddningsseparationen som man trodde var ofrånkomlig.

Men år 2016 kunde ett forskarlag vid Linköpings universitet tillsammans med kollegor i Hong Kong, visa att det gick att undvika energiförlusten med hjälp av andra donator-acceptor-material som hjälper elektronen att släppa från sitt hål lättare. Då minskade energiförlusten och effektiviteten ökade. Problemet var att ingen visste exakt hur det gick till. Det gick att se att det fungerade, men inte varför.

Nu har delvis samma forskarlag vid Linköpings universitet löst mysteriet som gett upphov till oenighet inom forskningsfältet. I en ny studie publicerad i Nature Communications har forskarna kartlagt vilka energinivåer som krävs för att minimera energiförlusterna.

– För att ta reda på hur energin flödar har vi lagt nanometertjocka ledande polymerfilmer i flera lager ovanpå varandra, ungefär som en jordgubbstårta. Efter det har vi mätt energin som krävs för att separera elektronerna från sina hål i varje enskilt lager, säger Xian’e Li, doktorand vid Linköpings universitet och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln.

Forskarna kunde då klarlägga mekanismen bakom den energieffektiva laddningsseparationen. Genom den systematiska kartläggningen stakas en ny väg ut för utvecklingen av organiska solceller.

Studien är finansierad av Vetenskapsrådet, Energimyndigheten samt regeringens strategiska satsning Avancerade funktionella material vid Linköpings universitet.

Artikeln: Mapping the energy level alignment at donor/ acceptor interfaces in non-fullerene organic solar cells Xian’e Li, Qilun Zhang, Jianwei Yu, Ye Xu, Rui Zhang, Chuanfei Wang, Huotian Zhang, Simone Fabiano, Xianjie Liu, Jianhui Hou, Feng Gao & Mats Fahlman Nature Communications 13 2022 doi: 10.1038/s41467-022-29702-w

Fotnot: De organiska solcellerna i studien är av en typ där elektronacceptorn är tillverkad av ett annat material än fulleren (en form av kol) vilket tidigare var det vanligaste. Icke-fulleren-baserade organiska solceller blir mer stabila och har en förmåga att ta upp en större andel av solens strålar för att omvandla till energi.