Medan de flesta solceller på marknaden idag är baserade på kisel, har energitekniker nyligen utvärderat prestandan hos alternativa celler baserade på andra fotovoltaiska (PV) material. Dessa alternativa alternativ inkluderar så kallade organiska solceller (OSC), lätta och flexibla celler som är baserade på organiska halvledande material.
OSC:s funktion bygger på ett så kallat aktivt skikt, en struktur som består av två olika typer av material, så kallade donator- och acceptormaterial. Båda materialen absorberar solljus och genererar exciterade tillstånd som dissocierar till elektroner och hål vid gränssnittet mellan donator- och acceptormaterialen. Därefter transporteras hålen i donatormaterialen, medan acceptorerna transporterar elektroner och underlättar deras flöde genom enheten för att generera elektricitet.
Jämfört med konventionella kiselbaserade solceller kan OSC vara mer flexibla, lättare, billigare och enklare att anpassa för specifika tillämpningar, till exempel genom att ändra deras färg eller transparens. Effektiviteten med vilken de omvandlar solenergi till elektricitet är dock fortfarande betydligt lägre än för kommersiellt tillgängliga solceller (PV).
En lovande strategi för att öka effektiviteten hos OSC är att använda en klass av acceptormaterial som kallas icke-fullerenacceptorer (NFA). Tyvärr har de organiska molekylerna i dessa material visat sig vara svåra att kristallisera till de enhetliga gitter som skulle möjliggöra önskade effektivitetsvinster.
Forskare vid Hong Kong Polytechnic University, Sichuan University och andra institut har nyligen introducerat en ny tvåstegskristalliseringsprocess som kan ge mer enhetliga NFA. Med hjälp av denna metod, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Energy, kunde de uppnå högkvalitativa acceptormaterial som avsevärt förbättrade OSC:s effektivitet.
”OSC:s aktiva skikt består av en blandning av donator- (D) och acceptormaterial (A), och det nanoskala arrangemanget av donator- och acceptormolekylerna i det aktiva skiktet (morfologi) är nyckeln till att öka enhetens effektivitet, men det är fortfarande en utmaning”, säger professor Gang Li, seniorförfattare till artikeln, till Tech Xplore.
”I detta arbete introducerade vi acenaften (AP) som ett kristallisationsreglerande medel för att manipulera kristallisationsdynamiken hos NFA. Det resulterande aktiva skiktet i OSC visar en aldrig tidigare skådad högorienterad stapling av NFA-molekylerna, med väl definierade Bragg-punkter. Vi uppnådde en PCE på 21 % (20,5 % certifierad) med en maximal FF på 83,2 % (82,2 % certifierad). ”
Källa: Fu et al.
För två decennier sedan publicerade professor Li en artikel i Nature Materials, där han rapporterade om en ny metod för att förbättra morfologin hos OSC. I denna artikel visade han att självorganiseringen av polymermolekyler kunde öka kristalliniteten hos det aktiva polymer-fullerenlagret i OSC avsevärt, vilket ökade deras effektivitet.
Med utgångspunkt i denna upptäckt satte han sig för att identifiera lovande strategier som skulle förbättra kristalliseringen av det aktiva skiktet i OSC. Detta ledde slutligen till hans senaste studie, som genomfördes i samarbete med forskare vid olika institut i Kina.
”I detta arbete använde vi först skikt-för-skikt-metoden för att deponera donatorn och acceptorn och bilda bi-kontinuerliga faser, för att uppnå den ideala vertikala fasseparationen i det aktiva skiktet”, förklarade professor Li. ”Det kristallisationsreglerande medlet – acenaften – är nyckeln till att manipulera kristallisationsdynamiken i NFA-skiktet ovanpå polymerdonatorfilmen, vilket resulterar i en kvasi-enkristallin ordning i det aktiva skiktet.”
För att utvärdera potentialen hos deras nyutvecklade kristalliseringsprocess övervakade forskarna bildandet av tunna organiska acceptorfilm med hjälp av olika tekniker. Dessutom använde de en beräkningsmetod baserad på kvantmekanik (dvs. funktionsteoretiska beräkningar) för att simulera interaktionerna mellan molekylerna och det reglerande medel de använde.
”Vi bekräftade att acenaften inducerar en tvåstegskristallisation med fördröjd kristallisation, vilket möjliggör högkvalitativ kristallin NFA och optimerad OSC-morfologi”, säger professor Li. ”Denna strategi har visat sig vara mycket effektiv i flera avancerade OSC-materialsystem.”
Den regleringsmedelsassisterade deponeringsstrategi som forskarna använde möjliggjorde realiseringen av enhetliga NFA:er, som sedan integrerades i binära OSC:er. Dessa solceller visade sig uppnå en verkningsgrad på upp till 21 %, vilket är anmärkningsvärt för OSC, men fortfarande inte lika högt som den verkningsgrad som uppnås av kiselsolceller.
”Hög verkningsgrad och stabilitet är viktiga krav för nya solceller som OSC”, tillägger professor Li. ”När dessa krav är uppfyllda kan OSC-tekniken möjliggöra bättre och nya solcellstillämpningar, inklusive flexibla, lätta, bärbara, estetiska och anpassningsbara halvtransparenta solcellstillämpningar.
”Vi kommer nu att fortsätta att förbättra OSC-prestanda – effektivitet och stabilitet. Vi kommer också att arbeta med OSC med snygg formfaktor (flexibla, estetiskt tilltalande, transparenta etc.), samt skalbara tillverkningstekniker, och försöka integrera cellerna med andra typer av enheter för verkliga tillämpningar, såsom smarta elrutor.”
Mer information: Jiehao Fu et al, Two-step crystallization modulated through acenaphthene enabling 21% binary organic solar cells and 83.2% fill factor, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01862-1.
