Nowe ścieżki prowadzące do efektywnych organicznych ogniw słonecznych

Obecna wydajność OPV warstw mieszanych — dwuskładnikowy mieszanek materiałów będących donorami i akceptora elektronów — osiągnęła około 10%. Kilka mechanizmów strat, które zapobiegają ekstrakcji fotogenerowanych ładunków, odpowiada za ich niską wydajność konwersji energii. Przypisuje się je niekorzystnej nanomorfologii mieszanek OPV, które zamiast promować ekstrakcję ładunku swobodnego, sprzyjają jego rekombinacji.

Naukowcy zainicjowali finansowany przez UE projekt "Delayed luminescence spectroscopy of organic photovoltaic systems" (DELUMOPV), aby uzyskać lepszy wgląd w procesy, które obecnie ograniczają wydajność konwersji energii organicznych urządzeń OPV. W związku z tym skupiono się na opracowaniu metodologii, która pozwoli dostosować nanomorfologię warstw tak, by sprzyjała ekstrakcji ładunku i zwiększeniu generacji prądu fotoelektrycznego. Zespół DELUMOPV spróbował także zidentyfikować akceptory elektronowe będące alternatywą dla stosowanych obecnie drogich pochodnych fulerenu.

Naukowcy potwierdzili, że intensywność opóźnionej luminescencji opóźnionych stanów ekscymeru (delplex) w mikrosekundowej skali czasu jest wzajemnie powiązana z efektywnością wytwarzania prądu fotoelektrycznego przez urządzenia OPV. W szczególności dynamika rozpadu opóźnionej luminescencji stanów przeniesienia ładunku dostarczyła przydatnych informacji dotyczących transportu ładunku badanych warstw fotoaktywnych. Wyniki eksperymentów obejmujących hartowanie fotoluminescencyjne indukowane polem elektrycznym dowiodły, że rekombinacja ładunku swobodnego i spułapkowane ładunki w urządzeniach OPV odpowiadają za opóźnioną luminescencję przeniesienia ładunku.

Naukowcy zaprojektowali nowoczesne urządzenie spektroskopowe do badania opóźnionej luminescencji uzyskiwanej z różnych kombinacji materiałów. Wymagało to wykorzystania kilku nieopartych na fulerenie materiałów będących akceptorami elektronów i polimerowych macierzy elektronodawców. Za sprawą technik mikroskopowych naukowcy zaobserwowali uprzednio niezidentyfikowane zjawisko pamięci kształtu w kompozytach polimeryczny OPV. Użycie cienkiej międzywarstwy w urządzeniach OPV wykonanej z polimerowej warstwy fotoaktywnej pomogło w dopasowaniu jej morfologii w celu ostatecznej optymalizacji ekstrakcji ładunku.

Celem działań projektu DELUMOPV było zachowanie przewagi konkurencyjnej UE w dziedzinach elektroniki organicznej i OPV. Wyniki projektu posłużą za podstawę do porównania między systemami OPV opartymi i nieopartymi na fulerenie. Powinno to dostarczyć naukowcom cennych informacji, pozwalając im na zaprojektowanie struktur molekularnych nowej generacji, które połączą w sobie korzystne cechy zarówno fulerenów, jak i innych polimerów.