Iz novih raziskav na državni univerzi ameriške zvezne države Severna Karolina in UNC-Chapel Hill je razvidno, da je energetska pretvorba bolj učinkovita znotraj kompleksnih, 3-D organskih sončnih celic, ko so molekule darovalke (donatorke) razvrščene čelno, torej s ploskvami druga proti drugi in ne po robu glede na akceptorje. Ta ugotovitev bi bila lahko zelo koristna pri oblikovanju in izdelavi bolj učinkovitih in gospodarnih tehnologij za izdelavo organskih sončnih celic.
Učinkovitost organske sončne celice je odvisna od tega, s kakšno lahkoto uspe Eksitonu (tako imenujemo energijo delcev, ki nastane, ko material absorbira svetlobo) najti vmesnik med molekulo darovalko in molekulo – akceptorjem znotraj celice. Na vmesniku se Eksiton pretvori v naboj, ki potuje proti elektrodam, pri tem pa ustvarja električno energijo. To se sicer sliši precej enostavno, dejstvo pa je, da se molekule v plasteh donatork in akceptorjev lahko premešajo, združujejo v grozde domen, ali oboje, kar vodi k razlikam v čistosti in velikosti domen, ki lahko vplivajo na proces pretvorbe energije. Poleg tega imajo molekule darovalca in akceptorja različne oblike, vpliva pa tudi način, kako so relativno usmerjene druga na drugo. Zaradi te zapletenosti je zelo težko izmeriti pomembnejše značilnosti njihove strukture.
Fizik Harald Ade iz ameriške zvezne države Severna Karolina in kemik z državne univerze v Chapel Hillu Wei You sta s sodelavci obeh institucij proučevala molekularno zgradbo sončnih celic, da bi ugotovila, katere oblike struktur imajo največji vpliv na učinkovitost. V tem projektu je ekipa uporabila napredne mehke rentgenske tehnike, da bi lahko pojasnili usmerjenost molekul znotraj materialov donorjev in akceptorjev. Z manipuliranjem takšnih usmeritev v različnih polimerih sončnih celic so lahko dokazali, da je je celica veliko bolj učinkovita pri ustvarjanju energije takrat, ko je medsebojni položaj med molekulami donorjev in akceptorjev poravnan glede na njihove ploskve, kot takrat, ko so poravnane po robovih. „Ugotovili smo, da usmerjenost molekul druga proti drugi omogoča ugodne interakcije za prenos naboja in hkrati zavira rekombinacije ali izgubo naboja v organskih sončnih celicah, „razlaga Ade“, čeprav je točno dogajanje na molekularni ravni pri tem še vedno zelo nejasno.
»Ne samo, da ploskvi donorja in akceptorja ležita drug proti drugi“, pojasnjuje Ade. „Obstaja še cel kup različnega dogajanja tudi na molekularni ravni. Predstavljajte si polno skledo testenin, na primer fettucine (široki rezanci), ki predstavlja polimer donatorjev in nato dodajte „mleto meso,“ ali molekule akceptorjev, ter vse skupaj premešajte. Takšna je pravzaprav tudi vaša sončna celica. Seveda bi želeli izmeriti vsaj nekaj, kar bi bilo pomembno z vidika učinkovitosti: ali je bolje, da se ploski del fettuccine oprijema okroglih koščkov mesa tako, da sta obrnjena drug proti drugemu, morda ob naključni usmerjenosti obeh ali v najslabšem primeru, če se testenine in meso stikata le na ozkih robovih naloženih testenin. To je vsekakor zapleten problem.«
„Ta raziskava naj bi nam dala metodo merjenja te molekularne orientacije in nam bo omogočila, da bomo sčasoma ugotovili, kakšne so posledice usmerjenosti in kako lahko usmerjenost natančno prilagajamo ali uravnavamo. Članek lahko najdete na spletnih straneh Nature Photonics.
Organske sončne celice s ploskvami molekul obrnjenimi druga proti drugi
R&D magazine
2014_SE220_60
