Ostatnie postępy w dziedzinie elektroniki organicznej były możliwe dzięki ogromnemu rozwojowi materiałów z półprzewodników organicznych (OSC) i technologii urządzeń cienkowarstwowych. Struktura elektronowa takich OSC ma kluczowe znaczenie dla optymalnego funkcjonowania urządzeń cienkowarstwowych.
Naukowcy z projektu KAUST wykazali, że niedopasowanie elektroniczne w parach materiałów wykorzystywanych do produkcji organicznych ogniw słonecznych może usprawnić ich działanie. Zaskakujące odkrycie, dokonane po wszechstronnej, ponownej analizie najnowocześniejszych organicznych materiałów światłoczułych, powinno umożliwić naukowcom projektowanie nowych organicznych formuł ogniw słonecznych o wysokiej wydajności.
Przechwytująca światło warstwa organicznych ogniw słonecznych zazwyczaj składa się z dwuskładnikowej mieszaniny zwanej mieszanką donora i akceptora. W świetle słonecznym przychodząca energia może pobudzać elektrony do przeskakiwania między różnymi poziomami energii w mieszance, co sugeruje, że wyrównanie poziomu energii między składnikiem donorowym i akceptorowym powinno być kluczowe dla wydajności urządzenia. Jednak różne grupy badawcze zastosowały różne metody pomiaru poziomów energii i dały sprzeczne wyniki dotyczące efektu wyrównania poziomu energii.
– Chcieliśmy zrozumieć pochodzenie tego sprzecznego zachowania – mówi Anirudh Sharma, stażysta w laboratorium Deryi Baran, który kierował pracami. – To zmotywowało nas do zbadania poziomów energii organicznych materiałów ogniw słonecznych przy użyciu różnych metod w celu ustalenia znaczących relacji materiał-właściwość – dodaje.
Zespół określił poziomy energii 33 organicznych materiałów słonecznych za pomocą czterech różnych technik. – Nasze odkrycia pokazują, że poziomy energii półprzewodników organicznych mierzone za pomocą spektroskopii fotoelektronów i niskoenergetycznej odwróconej spektroskopii fotoelektronów ściśle korelują z właściwościami ogniw słonecznych – mówi dr Jules Bertrandie. student w grupie Barana. Zauważa, że z kolei woltamperometria cykliczna dała mylące wyniki w kontekście poziomów energii ogniw słonecznych.
Po ustaleniu najlepszych metod pomiaru zespół przeanalizował wyrównanie poziomu energii w 12 mieszankach organicznych ogniw słonecznych dawcy i akceptora. Wyniki pokazały, wbrew obecnemu przekonaniu, że mieszanki z niewielką lub zerową różnicą w jednej metryce poziomu energii, znanej jako energia jonizacji, były słabe. Najlepiej działające organiczne ogniwa słoneczne wykazywały znaczną różnicę w energii jonizacji między składnikiem donorowym i akceptorowym w mieszance.
– Nie byliśmy zaskoczeni, że nasza propozycja nowego typu pomiaru poziomu energii byłaby bardziej wiarygodna, ale byliśmy zaskoczeni, że nasza hipoteza ujawniła, że to, w co powszechnie wierzy się w literaturze, w rzeczywistości nie jest prawdą – mówi Baran. – Ta metoda ma ogromny potencjał, aby odkryć nowe systemy par dawca-akceptor, które mogłyby dobrze działać w organicznych ogniwach słonecznych, a także określić, które pary nie będą działać – dodaje.
Znaczenie wyniku wykracza poza badania nad konwersją słoneczną. Konsekwencje tego badania mają znaczenie dla całej dziedziny elektroniki organicznej – zauważa Sharma.
Zdjęcie główne: Ilustracja pokazująca, jak wpadające światło słoneczne pobudza elektrony do różnych poziomów energii, co generuje napięcie. Oryginalna grafika autorstwa Hassana Tahini.
Źródło: KAUST Discovery Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
