Revealing the Critical Role of In-Plane Charge Transport in Large-Scale Organic Photovoltaics

Zonne-energie wordt vaak gezien als een technologie van de toekomst, maar al decennia lang verfijnen wetenschappers een specifiek type zonnecel gemaakt van koolstofgebaseerde materialen in plaats van star silicium. Deze organische zonnecellen zijn lichtgewicht, flexibel en kunnen worden geprint als inkt op een pagina, wat een weg biedt naar goedkope, veelzijdige energie. Jarenlang hebben onderzoekers zich gericht op het efficiënter maken van deze cellen door de minuscule moleculen binnenin zo te rangschikken dat ze rechtop staan, als een bos van bomen, zodat elektriciteit gemakkelijk van de bovenkant van de cel naar de onderkant kan reizen. Deze verticale ordening werkt prachtig voor de kleine, postzegelgrote apparaten die in laboratoria worden getest. Echter, een hardnekkig probleem heeft deze cellen een blokkade in de weg gelegd om een commerciële realiteit te worden: wanneer wetenschappers proberen de cellen groter te maken, zoals de omvang van een raam of een dakpan, daalt de prestatie scherp. De elektriciteit raakt verloren voordat het de rand van het apparaat kan bereiken, vergelijkbaar met een hardloper die uitgeput raakt voordat de finish wordt bereikt.

Een team van onderzoekers heeft nu geïdentificeerd dat de oplossing voor dit schalingsprobleem niet ligt in het laten staan van de moleculen, maar in het helpen liggen en zij aan zij verbinden van de moleculen. In een recente studie onthulden wetenschappers van instellingen waaronder Beihang University en de Chinese Academy of Sciences dat het geheim van het bouwen van grote, efficiënte organische zonnecellen ligt in het verbeteren van de manier waarop ladingen horizontaal over het materiaal bewegen, in plaats van alleen verticaal. Door een specifieke nieuwe stof te introduceren die de moleculen stimuleert om compact in een platte, zij-aan-zij oriëntatie te pakken, slaagden zij erin hoogefficiënte zonnemodules te bouwen die meer dan honderd keer groter zijn dan standaard laboratoriumcellen, terwijl ze de hoge efficiëntie behielden. Deze ontdekking daagt de langgevestigde overtuiging uit dat verticale uitlijning de enige weg naar succes is en biedt een nieuw blauwdruk voor de productie van zonne-energie op industriële schaal.

De kern van de moeilijkheid bij het opschalen van organische zonnecellen is een kwestie van afstand. In een klein apparaat hoeft de door zonlicht gegenereerde elektriciteit slechts een zeer korte afstand af te leggen om de metalen draden te bereiken die de stroom verzamelen. Maar naarmate het apparaat groter wordt, wordt die reis veel langer. De elektriciteit moet zijwaarts over het oppervlak van het materiaal reizen om de verzamelpunten aan de randen te bereiken. Als het materiaal niet is ontworpen om deze zijwaartse reis aan te kunnen, raakt de elektriciteit gestikt, waardoor het apparaat vermogen verliest. Een lange tijd nam de wetenschappelijke gemeenschap aan dat de beste manier om dit op te lossen het dikker maken van de elektroden was of het toevoegen van meer draden om de afstand te verkorten. Hoewel deze methoden helpen, blokkeren ze vaak het zonlicht of voegen ze te veel dode ruimte toe, wat de hoeveelheid energie die de cel daadwerkelijk kan produceren beperkt. De onderzoekers realiseerden zich dat de echte flessenhals in de actieve laag zelf zat, het dunne laagje waar zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Ze vermoedden dat de manier waarop de moleculen binnenin dit filmpje waren gerangschikt, de sleutel was.

Om dit idee te testen, ontwierp het team een nieuw materiaal genaamd PTz-BO. Dit molecuul heeft de unieke neiging om zichzelf in een platte, zij-aan-zij rangschikking te stapelen, wat sterke verbindingen in de horizontale richting creëert. Ze mengden dit nieuwe materiaal met de standaard ingrediënten die worden gebruikt in hoogwaardige zonnecellen. Wanneer ze deze mengsels in kleine apparaten testten, waren de resultaten goed, maar niet recordbrekend. Echter, de echte test kwam toen ze de apparaten opschaalden. Bij een typische zonnecel zorgt het vergroten van het oppervlak voor een aanzienlijke daling van de efficiëntie omdat de zijwaartse beweging van elektriciteit te moeilijk wordt. Maar met het nieuwe materiaal was de daling in prestaties bijna onmerkbaar. Terwijl de onderzoekers de grootte van de zonnecel vergrootten van een minuscuul fractie van een vierkante centimeter naar een volledig module die meer dan honderd vierkante centimeter beslaat, bleef de efficiëntie opmerkelijk stabiel.

De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid van dit nieuwe materiaal die nodig is om de cel goed te laten werken, direct afhankelijk is van hoe groot de cel is. Voor de kleinste apparaten was een kleine hoeveelheid van het nieuwe materiaal voldoende. Maar naarmate het oppervlak groeide tot de grootte van een groot raam, moesten ze er steeds meer aan toevoegen om de elektriciteit soepel over het oppervlak te laten stromen. Dit bevestigde hun hypothese: grotere oppervlakken vereisen sterkere horizontale verbindingen tussen moleculen om de last te dragen. Door het mengsel zorgvuldig aan te passen, bouwden ze een rigide zonnemodule met een oppervlakte van 101,9 vierkante centimeter die een efficiëntie van 15,76 procent behaalde. Dit is een van de hoogste efficiëntieniveaus die ooit zijn geregistreerd voor een zonnemodule van die omvang, wat bewijst dat de strategie werkt op een schaal die ertoe doet voor echt gebruik.

Om te verzekeren dat dit niet slechts een toevalstreffer was van een specifieke opstelling, testte het team de methode ook op flexibele zonnecellen die werden gemaakt met een roll-to-roll printproces, vergelijkbaar met hoe kranten worden gedrukt. Ze drukten flexibele modules variërend van één vierkante centimeter tot meer dan honderd vierkante centimeter. Net als de rigide cellen presteerden de flexibele versies het best wanneer ze genoeg van het nieuwe materiaal bevatten om de horizontale stroom van elektriciteit te ondersteunen. De resultaten waren consistent over zowel rigide als flexibele formaten, wat aantoont dat het principe robuust is en toepasbaar op verschillende productiemethoden. De studie toonde ook aan dat het toevoegen van dit materiaal de verticale beweging van elektriciteit niet verpest; in plaats daarvan creëerde het een gebalanceerd systeem waarin ladingen efficiënt in beide richtingen konden bewegen.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk voor de toekomst van zonne-energie. Jarenlang was de kloof tussen de hoge efficiëntie van kleine laboratoriummonsters en de slechte prestaties van grote commerciële panelen een grote hindernis. Dit onderzoek suggereert dat de manier om die kloof te overbruggen ligt in het heroverwegen van de interne architectuur van de zonnecel. Door prioriteit te geven aan de horizontale verbindingen tussen moleculen, kunnen wetenschappers nu materialen ontwerpen die specifiek zijn afgestemd op grootschalige productie. Het team heeft ook aangetoond dat deze aanpak werkt met verschillende soorten basismaterialen, wat suggereert dat het een algemene regel is voor het vakgebied in plaats van een truc die alleen werkt voor één specifieke chemische stof.

De studie concludeert dat de toekomst van organische zonnecellen ligt in het omarmen van deze dubbele aard van ladingsvervoer. In plaats van uitsluitend te focussen op het verticale pad, dat de decennia lang de research heeft gedomineerd, moeten de volgende generaties materialen worden ontworpen om de horizontale reis even goed aan te kunnen. Deze verschuiving in perspectief maakt het mogelijk om zonnecellen te creëren die niet alleen efficiënt zijn, maar ook groot genoeg om huizen en bedrijven van stroom te voorzien. De onderzoekers hebben een duidelijk pad vooruit gecreëerd, door aan te tonen dat door simpelweg te veranderen hoe de moleculen samenkomen, de beperkingen van schaal kunnen worden overwonnen, waardoor flexibele, hoogwaardige zonne-energie dichter bij de realiteit komt.