«Было проведено множество исследований, посвященных эффективности органических солнечных элементов, но процесс преобразования энергии включает в себя несколько этапов, и сложно выделить эффективность каждого этапа», — говорит доктор Брендан О’Коннор, доцент. машиностроения в NC State и старший автор статьи о работе. «Техника, которую мы обсуждаем в нашей новой статье, позволяет нам распутать эти переменные и сосредоточиться на одном конкретном шаге — эффективности диссоциации экситонов».Вообще говоря, органические солнечные элементы преобразуют свет в электрический ток в четыре этапа.Сначала клетка поглощает солнечный свет, который возбуждает электроны в активном слое клетки.
Каждый возбужденный электрон оставляет дыру в активном слое. Электрон и дырка вместе называются экситоном.
На втором этапе, называемом диффузией, экситон прыгает, пока не встретит границу раздела с другим органическим материалом в активном слое. Когда экситон встречается с этой границей раздела, вы получаете третий шаг: диссоциация.
Во время диссоциации экситон распадается, освобождая электрон и соответствующую дырку. На четвертом этапе, называемом сбором заряда, свободный электрон проходит через активный слой к точке, где он может быть собран.В предыдущих исследованиях органических солнечных элементов было неясно, были ли различия в эффективности следствием диссоциации или сбора заряда — потому что не было четкого метода различения между ними. Был ли материал неэффективен при диссоциации экситонов на свободные электроны?
Или материал просто мешал свободным электронам выбраться наружу?Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи разработали метод, который использует особую характеристику света: если свет поляризован так, что он «проходит» параллельно длинной оси молекул органических солнечных элементов, он будет поглощаться; но если свет проходит перпендикулярно молекулам, он проходит прямо через них.
Исследователи создали высокоорганизованные наноструктуры в части активного слоя органического солнечного элемента, а это означает, что все молекулы в этой части работают одинаково. Они оставили оставшиеся участки клетки неорганизованными, то есть молекулы разбегались в кучу в разных направлениях.
Эта конструкция позволила исследователям сделать организованные области клетки практически невидимыми, контролируя полярность света, направленного на активный слой. Другими словами, исследователи могли протестировать только организованную секцию или только неорганизованную секцию — даже если они находились на одном и том же активном слое одного и того же солнечного элемента.Поскольку сбор заряда будет одинаковым для обеих областей (поскольку они находятся на одном активном слое), этот метод позволил исследователям измерить степень, в которой структурная организация влияет на эффективность диссоциации материала.
«Мы обнаружили, что не было никакой связи между эффективностью диссоциации и структурной организацией», — говорит О’Коннор. «Это действительно было неожиданностью, и это говорит нам о том, что нам не нужны высокоупорядоченные наноструктуры для эффективной генерации свободных электронов.«С практической точки зрения, этот метод поможет отличить потери эффективности недавно разработанных материалов, помогая определить, какие свойства материала и наноструктуры необходимы для развития технологии органических солнечных элементов».