Kvantmekanik banar väg för stabilare organiska solceller

Organiska solceller har många fördelar jämfört med traditionella, kiselbaserade solceller. De kan tillverkas billigt i stor skala i en tryckpress och de är lätta, formbara och flexibla. Problemet är att dagens organiska solceller inte är lika stabila och effektiva som kiselbaserade solceller. Det här har en forskargrupp tagit sig an i en ny studie som banar väg för en mer kostnadseffektiv solcellsteknologi.

– Det finns stora möjligheter att utnyttja kvantmekaniska effekter för att förändra olika kemi-och materialegenskaper. I den här studien presenterar vi en metod som gör det möjligt att öka diffusionshastigheten för energin i organiska material. Därmed kan vi skapa stabilare organiska solceller som har en enklare uppbyggnad, säger Karl Börjesson, professor i fysikalisk kemi vid Göteborgs universitet, och huvudförfattare till studien.

Kopplar samman materia och ljus

I grunden handlar det om att se till att energin i solcellerna transporteras till rätt ställe, på ett effektivt sätt. I organiska solceller finns två material och energin som absorberas ifrån solen behöver diffundera – alltså vandra – till gränsytan mellan materialen. Men diffusionen är en ineffektiv process eftersom energin färdas långsamt och riskerar att gå förlorad som värme innan den hinner nå gränsytan. Lösningen har blivit att de två materialen i solcellerna blandar sig med varandra så att avstånden minskar och energin når gränsytan snabbare. Tyvärr leder det samtidigt till att solcellerna inte är i termodynamisk jämvikt och att konstruktionen därför inte blir lika hållbar över tid som den skulle kunna vara.

Bild

Med den nya metoden visar forskarna att det går att föra över energi över långa avstånd, vilket innebär att de komplicerade materialblandningarna i solcellerna kan undvikas. Nyckeln bakom metoden är kvantmekaniska effekter, där ljus och materia slås ihop till hybridtillstånd.
– När vi skapar en stark sammankoppling av materia och ljus leder det till att energin sprids ut över hela systemet. Om systemet – som i detta fall – består av flera material kanaliseras energin till gränsytan. Vi visar i studien att energin färdas mycket snabbare till gränsytan när materialen är starkt sammankopplade. Det innebär att materialen i solcellerna inte behöver blandas fysiskt eftersom de blandas kvantmekaniskt. Det leder också till att systemet är i termodynamisk jämvikt, säger Karl Börjesson.

Solceller får enklare uppbyggnad

Enligt Karl Börjesson kan upptäckten påverka hur organiska solceller produceras, eftersom det blir möjligt att öka hållbarheten samtidigt som solcellerna får en enklare arkitektur. Han påpekar också att forskningen egentligen utgår från ett koncept som redan finns i vår natur.
– Naturen använder starka kopplingar mellan molekyler för att effektivt skicka solenergi i fotosyntesen. I princip har vi visat att samma grundkoncept går att tillämpa på en organisk solcell.

Text: Ulrika Ernström

Kontakt:
Karl Börjesson, professor i fysikalisk kemi vid Göteborgs universitet, institutionen för kemi och molekylärbiologi. Tel: 031-786 90 99, 0766-22 90 99, e-post: karl.borjesson@gu.se