Paul van Gerven
29 March 2013

Organische zonnecellen worden stapje voor stapje beter, maar waarschijnlijk moeten er metallische structuren aan te pas komen om hun volledige potentie te realiseren.

Makers van organische zonnecellen staan voor een dilemma. Enerzijds willen ze een zo dun mogelijke actieve laag (1 tot 10 nanometer), zodat excitonen de grootst mogelijke kans hebben het grensvlak van elektrondonor en -acceptor te bereiken, waar zij uiteenvallen in elektronen en gaten. Anderzijds willen ze een voldoende dikke laag (30 tot 100 nanometer), zodat de maximale hoeveelheid licht wordt geabsorbeerd.

Dit onbevredigende compromis smeekt om een oplossing. Op eigen kracht hebben enkellaags organische zonnecellen in het laboratorium de kaap van tien procent rendement gerond – het niveau waarop concurrentie met anorganische cellen mogelijk wordt verondersteld. OPV zal echter pas haar ware potentie realiseren als er tegenwicht kan worden geboden aan de botsende eisen die maximale benutting van excitonen en maximale lichtabsorptie stellen.

Een beproefde methode om het compromis te verbeteren, is donor- en acceptormateriaal innig maar niet volledig mengen, zodat er een veel groter grensvlak tussen beide ontstaat en excitonen meer kans krijgen om dat te bereiken. Deze aanpak vereist echter dat de materialen niet alleen elektronisch op elkaar zijn afgestemd, maar ook morfologisch. Polymeren die te veel van elkaar verschillen, hebben net als olie en water de neiging om te ontmengen.

Princeton-onderzoekers constateren een verdrievoudiging van het rendement als zij in plaats van de typische Ito-toplaag een patroon van nanogaatjes in goud gebruiken (175 nanometer in diameter, 25 nanometer uit elkaar).

Een relatief nieuwe strategie is komen overwaaien uit het anorganische PV-onderzoek. Researchers probeerden met de surface plasmon polaritons (SPP‘s) van metallische nanostructuren licht ’te vangen‘ en ’op te sluiten‘, maar veel anorganische zonneceltypen bleken te dik om daar afdoende van te profiteren. Daarop volgde logischerwijs de veronderstelling dat SPP‘s bij de van nature veel dunnere organische zonnecellen wel eens beter uit de verf zouden kunnen komen. In een reviewartikel in de februari-editie van Advanced Materials zetten de onderzoekers Qiaoqiang Gan, Filbert Bartoli en Zakya Kafafi van drie verschillende Amerikaanse universiteiten op een rijtje in hoeverre deze veronderstelling bewaarheid is geworden.

Vervolgonderzoek

SPP‘s zijn collectieve oscillaties van elektromagnetische golven en vrije elektronen op het grensvlak van een metaal en diëlektricum of halfgeleider. Deze golven, typisch in het infrarode of zichtbare gebied, fungeren in theorie als een intermediair: ze nemen de energie van invallende fotonen op en geven die gelukkigerwijze vooral door aan de halfgeleider. SPP‘s kunnen er dus voor zorgen dat licht dat anders verloren zou zijn gegaan, alsnog nuttig wordt gebruikt.

Eén mogelijke implementatie van SPP‘s is om metalen als periodieke nanostructuren in de zonnecel te incorporeren. Zo eenvoudig als deze subgolflengtepatronen lijken onder de elektronenmicroscoop, zo complex is de fysica die erbij hoort – te complex om op in te gaan. Feit is dat een aanzienlijk aantal verkennende studies vrij spectaculaire rendementsverbeteringen hebben laten zien, variërend van tientallen tot zelfs honderden procenten. Daarbij moet wel worden aangetekend dat de referentiecellen bepaald niet tot de state of the art behoren.

Een andere, minder goed onderzochte optie is om metalen deeltjes te verwerken in of tussen een van de ongeveer vijf lagen die een organische zonnecel telt. Omdat organische verbindingen doorgaans makkelijk zijn te verwerken, is het ook betrekkelijk eenvoudig om deeltjes in de stack te stoppen. Behalve dat het mogelijk een plasmonisch effect geeft, verstrooien de deeltjes ook licht terug de halfgeleider in, afhankelijk van hun grootte en samenstelling, en beïnvloeden ze waarschijnlijk ook nog op andere manieren het uiteindelijke rendement – zowel positief als negatief.

De onzekerheid over de aard en impact van processen die nanodeeltjes in gang zetten, kenmerkt deze en in mindere mate ook de ’periodieke‘ insteek. Hoewel verschillende experimenten typische rendementsverbeteringen in de orde van twintig tot dertig procent hebben laten zien, ontbreekt systematisch inzicht. De auteurs van het reviewartikel in Advanced Materials verwachten dan ook veel van vervolgonderzoek, zodat het complexe samenspel van interacties geoptimaliseerd kan worden en de organische zonnecel een rendement van tien procent ruimschoots kan overstijgen.