Ny forskning visar att det vi trott oss veta om hur organiska solceller fungerar kan vara felaktigt, en upptäckt som i framtiden kan hjälpa till att förbättra de organiska solcellernas egenskaper.
Jämfört med traditionella solpaneler av kisel är organiska solceller både ett billigt och flexibelt alternativ, som tack vara de dramatiska framsteg som gjorts de senaste åren när det gäller deras verkningsgrad ser allt mer lockande ut. Trots teknikens lovande framtid är forskarna emellertid fortfarande inte överens om hur organiska solceller egentligen går tillväga för att omvandla solljus till elektricitet. Detta hoppas nu en grupp forskare vid Stanford University i USA kunna ändra på.
- Vi vet att organiska solceller fungerar väldigt bra. Frågan är varför de fungerar så bra? Svaret är kontroversiellt, säger Stanfordforskaren Michael McGehee.
Svårförklarad separation
Organiska solceller består normalt sett av två lager av halvledande polymerer, det vill säga plaster, och de genererar precis som andra solceller elektricitet genom absorption av fotoner från det solljus som träffar dem. Fotonerna genererar emellertid inte elektricitet på samma sätt i en organisk solcell som i en vanlig kiselsolcell.
Vi vet att en foton då den absorberas av en organisk solcell stöter ut en elektron från en av polymermolekylerna. Detta resulterar i en tom plats i molekylens elektronskal, vilket brukar kallas för ett hål. Den utstötta elektronen och hålet bildar omedelbart ett bundet par kallat för en exciton. Excitonen delar sedan på sig och elektronen kan röra sig fritt till ett annat hål skapat av en annan absorberad foton. Det är tack vare denna förflyttning av elektroner från hål till hål som det uppstår en elektrisk ström.
Det som efter mycket forskning fortfarande är oklart är vad som får excitonerna att dela på sig.
- För att generera en ström måste elektronen och hålet separeras. Den fundamentala fråga som länge ställts är hur detta bundna tillstånd delas, säger Alberto Salleo vid Stanford University.
Ingen extra energi
En förklaring som föredras av många forskare är den så kallade "hot excitation"-effekten.
Eftersom en organisk solcell består av två olika halvledarmaterial kan en elektron som befinner sig i det första materialet, om den attraheras starkare av det andra materialet än det första, falla ner i det andra materialet. Teoretiskt sätt borde elektronen emellertid ändå fortsätta att vara bunden till det ursprungliga hålet.
"Hot excitation"-effekten innebär att elektronen, tack vare att den bär med sig extra energi när den faller från det första materialet till det andra, har så hög temperatur att den får tillräckligt hög hastighet för att göra sig fri från hålet.
Enligt Stanfordforskarna håller denna hypotes emellertid inte måttet vid praktiska experiment.
- I vår studie upptäckte vi att "hot excitation"-effekten inte existerar. Vi mätte optisk strålning från halvledarmaterialen och såg att det inte krävdes någon extra energi för att dela på en exciton, förklarar Salleo.
Oordning ger bättre solceller
Att de punkterat den ledande teorin betyder emellertid inte att Stanfordforskarna kan förklara precis vad som egentligen ligger bakom separationen av elektroner och hål.
- Vi har inte riktigt svarat på den frågan än. Vi har några idéer. Vi tror att den oordnade stukturen i de halvledande polymererna kan hjälpa elektronerna att komma undan, säger Salleo.
Han har tidigare kommit fram till att oordning på molekylnivå gör halvledande polymerer i organiska solceller bättre och Salleo och hans kollegor hoppas att man genom att dra nytta av detta kommer att kunna ta fram halvledarmaterial som ytterligare förbättrar de organiska solcellernas verkningsgrad, som idag ligger på runt 9 procent.
- För att göra en bättre organisk solcell har folk letat efter material som ger en starkare "hot excitation"-effekt. De borde istället försöka komma fram till hur elektronen kommer undan utan att den har hög temperatur. Denna idé är ganska kontroversiell. Det är en fundamental förändring i hur folk ser på fotoelektrisk generering, säger Salleo.
Fakta
Organisk solcell
Organiska solceller, även kallade plastsolceller, är solceller som använder sig av halvledande polymerer och små molekyler. Anledningen till att de kallas för organiska solceller är att polymererna och de små molekylerna är kolbaserade, till skillnad från de oorganiska halvledare, som till exempel kisel, som används i traditionella solceller.
Eftersom de består av polymerer, det vill säga plast, är organiska solceller billiga att tillverka, såväl som tunna, lätta och böjbara.
