Huis > Nieuws > Inhoud
Hybride zonnecellen hebben toepassingen in flexibele elektronica en draagbare apparaten
Nov 03, 2018

Het begrijpen van de impact van oppervlaktedefecten ondersteunt de verbeterde efficiëntie van hybride organische / anorganische zonnecellen.

               Hybride zonnecellen maken gebruik van een interface met lagen organische en anorganische materialen om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Zinkoxide (ZnO) is een populaire keuze voor het anorganische materiaal omdat het goedkoop, niet-toxisch en gemakkelijk verkrijgbaar is.

De conversie-efficiëntie van hybride zonnecellen met ZnO / organisch-donor-bulk heterojuncties is momenteel echter zeer laag - slechts 2 procent wanneer ZnO wordt gemengd met een organisch donormateriaal. Aan de andere kant is een fatsoenlijke efficiëntie van 6,1 procent bereikt wanneer ZnO wordt gebruikt als een laag die is ingeklemd tussen een elektrode en een laag polymeer of acceptoren van kleine moleculen.

Jean-Luc Bredas van het KAUST Solar & Photovoltaics Engineering Research Centre en collega Hong Li vermoeden dat intrinsieke defecten in ZnO een sleutelfactor zijn in de slechte prestaties. Door de verschillen in elektronische eigenschappen tussen verschillende hybride materialen te vergelijken, concludeerden ze dat zinkvacatures de conversie-efficiëntie verminderen door het ladingsscheidingsproces op het grensvlak tussen de organische en anorganische materialen te belemmeren.

Het is algemeen bekend dat ZnO verschillende rollen speelt in grootschalige heterojuncties, afhankelijk van het type organisch materiaal en gebruikte architectuur. Wanneer gemengd met polymeer of kleine moleculaire donoren zoals sexithienyl, neemt ZnO de rol aan van een elektronenacceptor: het neemt elektronen op of "accepteert" en laat positief geladen gaten achter in een sexithienyl-laag.

Wanneer ZnO wordt ingeklemd tussen een elektrode en een fullereen-acceptorlaag, helpt het de elektronen van de fullereenlaag naar de elektrode over te brengen. Deze processen maken de efficiënte omzetting van zonlicht in elektriciteit mogelijk.

De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te onderzoeken hoe zinkvacatures aan het oppervlak van zinkoxide deze twee processen beïnvloeden. Voor de ZnO / sexithienyl-bulk heterojunctie kunnen zinkvacatures aan het ZnO-oppervlak lokale ladingoverdracht op het ZnO / sexithienyl-grensvlak belemmeren en kunnen ook efficiënte ladingsscheiding door sterke Coulomb-interacties voorkomen. Voor de ZnO / fullereen-interface hebben dergelijke vacatures echter geen significante invloed op het proces van de ladingsoverdracht.

Om deze redenen zijn de tot nu toe ontwikkelde ZnO / organische heterojuncties inefficiënt. Ter vergelijking: zinkvacatures hebben een significant hogere negatieve impact op ZnO / sexithienyl dan op ZnO / fullereen-interfaces. De resultaten hebben belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van hybride zonnecellen, die toepassingen hebben in flexibele elektronica en draagbare apparaten.

"Wat we hebben geleerd van onze onderzoeken is in welke mate defecten aan het oppervlak van geleidende metaaloxiden zoals ZnO de algehele elektronische eigenschappen en uiteindelijk de apparaatefficiënties bepalen", merkte Bredas op. Hij suggereerde dat de bevindingen wijzen op mogelijke manieren om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren door middel van oppervlaktemodificaties.