Genom att förlänga tiden som elektronerna i materialet är exciterade har forskare vid Linköpings universitet lyckats öka prestandan hos organiska solceller. Fynden är publicerade i tidskriften Nature Photonics.

Organiska solceller är gjorda av ledande plaster och har därför eftertraktade egenskaper som låg tillverkningskostnad, lätt vikt och hög flexibilitet. Dessutom kan de vara halvgenomskinliga och tillverkas i stor skala. Egenskaperna särskiljer dem från traditionella solceller av kisel och öppnar för många nya användningsområden – bland annat kan de användas inomhus, för att driva personelektronik eller olika typer av sensorer.

Andelen solstrålar som omvandlas till energi, kallat effektivitet eller verkningsgrad, har på tio år gått från cirka 10 procent till över 20 hos organiska solceller. Nu har den nått nya höjder.

– Det vi visar i den här studien tar effektiviteten till nästa nivå. Med vår nya förståelse kan forskarsamhället förhoppningsvis förbättra verkningsgraden så att den kommer närmare den praktiska gränsen, säger Feng Gao, professor i optoelektronik vid Linköpings universitet.

För att öka verkningsgraden hos organiska solceller har Linköpingsforskarna undersökt den så kallade fyllnadsfaktorn för solceller som utgjort en begränsning.

Organiska solceller består av två material som placeras tätt ihop. De kallas donator respektive acceptor. När solljuset absorberas avger det energi till elektroner, så att de hamnar i ett så kallat exciterat tillstånd. För att solcellen ska fungera effektivt måste de exciterade elektronerna flytta sig till acceptormaterialet medan de motsvarande positiva laddningarna blir kvar i donatormaterialet. Laddningarna kan sen röra sig genom solcellen och energi alstras.

Huotian Zhang, postdoktor samt försteförfattare till den nya studien, har undersökt över 100 olika materialkombinationer för att förstå hur fyllnadsfaktorn påverkar effektiviteten och hur den kan förbättras. Hans slutsats är att nyckeln till en effektivare solcell är att förlänga tiden som elektronen är exciterad.

– Genom att kombinera grundläggande fysik med ny materialteknologi visade vi att verkningsgraden påverkas av samspelet mellan det elektriska fältet och fotoexcitationen. Genom att förlänga livslängden hos det exciterade tillståndet kan en större del av det absorberade ljuset omvandlas till användbar ström, vilket förbättrar enhetens prestanda, säger Huotian Zhang.

– Resultaten visar att organiska halvledare kan fungera lika bra som oorganiska halvledare i fotovoltaiska tillämpningar. Fynden är dessutom relevanta för andra halvledartillämpningar. Nästa steg är att addera maskininlärning för att påskynda materialupptäckten och optimering av solcellen, säger Huotian Zhang.

Studien är i huvudsak finansierad av Vetenskapsrådet, Göran Gustafsson priset samt via den svenska regeringens strategiska forskningsområde inom avancerade funktionella materiel (AFM) vid Linköpings universitet. Feng Gao är Wallenberg scholar.

Läs mer i den vetenskapliga artikeln: Overcoming the fill-factor limit of organic solar cells