Kvantmekanik gör att energin rör sig snabbare i organiska solceller

2021-05-20 08:23  

Forskare vid Göteborgs universitet har använt kvantmekaniska effekter för att skapa mer stabila organiska solceller. Med hjälp av speglar stängde de inne elektromagnetiska fält i systemet – och fick energin att färdas snabbare genom materialen.

Vad handlar det om?

Kvantmekaniken berör partiklar som är mindre än atomer – och vid Göteborgs universitet har forskare använt ett elektromagnetiskt fält för att slå samman ljus och materia till ett hybridtillstånd. Deras manipulation ska bland annat kunna bidra till mer lättillverkade och stabila organiska solceller.

– Vi stänger inne elektromagnetiska fält i systemet med hjälp av speglar. Om man sätter två speglar väldigt nära varandra så uppstår en stående våg mellan dem. Man kan likna det vid ett musikinstrument – beroende på hur du stämmer din gitarr så får du en stående våg som utgör den specifika ton du hör. Men vi gör det i det synliga området, säger Karl Börjesson som är professor i fysikalisk kemi vid Göteborgs universitet.

Han är huvudförfattare till studien som har publicerats i Nature Communications.

Varför har de gjort det här?

Organiska solceller är tillverkade av ljusabsorberande polymera material och kallas också plastsolceller. De har fördelen att de kan göras tunna och böjbara.

Ett svenskt företag som arbetar med att utveckla organiska solceller är Epishine, som Ny Teknik har skrivit om flera gånger, exempelvis här.

Men organiska solceller är ännu inte lika stabila och effektiva som kiselbaserade solceller.

För att få ut elektricitet ur den organiska solcellen måste en foton röra sig från det ställe där den absorberas till ett ytgränssnitt där solcellens två olika material möts. Materialen måste göras tillräckligt tjocka för att absorbera ljuset, men problemet är att energin färdas väldigt långsamt i materialen, vilket innebär att den går förlorad som värme innan den når ytgränssnittet.

Den tidigare lösningen

För att lösa problemet kan man göra en så kallad bulk heterojunction solar cell. Då blandas de två materialen först, följt av att de fas-separerar. Då bildas väldigt små kanaler av de olika materialen, som gör att energin bara behöver färdas en väldigt kort väg för att nå ytgränssnittet efter att ljuset har absorberats.

Läs mer: De kan printa solceller med bläckstråleskrivare

Man kan dock få problem när man använder bulk heterojunction. Material som ser optimala ut behöver nödvändigtvis inte fungera. Nästa problem kan vara att man får system som inte är stabila över tid. Speciellt när cellen värms upp kan molekyler börja vandra, vilket förändrar kanalernas storlek och därmed hur bra solcellen fungerar.

Så fungerar den nya metoden

Med en bulk heterojunction måste man ta hänsyn till hur blandningar ändras över tid, något som utgör ett mycket mindre problem om man använder så kallade plana system där skikten inte blandas.

Forskarna vid Göteborgs universitet har använt den elektromagnetiska vågen för att skynda på hur snabbt energin kan röra sig. Vågen ska ha samma frekvens som övergången i molekylen.

– Vi kopplar samman det elektromagnetiska fältet och materialet så starkt att man får nya tillstånd som har nya egenskaper. Man modifierar de elektroniska tillstånden hos molekylerna, säger Karl Börjesson.

Läs mer: Genomskinliga solceller – en bra eller dålig idé?

Vad kan forskningen få för betydelse?

Enligt Karl Börjesson är det viktigaste framsteget att man föreslår en ny lösning på problematiken för hur energin ska nå gränsytan, och i stället för att använda sig av bulk heterojunction kan man göra plana system. Han anser dock att det är svårt att säga vad deras arbete kan få för effekt på organiska solceller.

– Sedan har vi perspektivet fotodioder, och där är potentialen sannolikt lite större. Men störst är det kanske ur det kvantmekaniska perspektivet, Man har inte tidigare tänkt så mycket på att de här kvantmekaniska tillstånden kan göra fotokemi, säger Karl Börjesson.

John Edgren

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt