Molekulare Schwingungen reduzieren die maximal erreichbare Photospannung in organischen Solarzellen - Phys.org

Molekulare Schwingungen reduzieren die maximal erreichbare Photospannung in organischen Solarzellen - Phys.org

22 March 2020

Darstellung der Erzeugung von Ladungspaaren (Exzitonen), den Vorläufern freier Ladungsträger in der aktiven Schicht einer organischen Solarzelle. Bildnachweis: Technische Universität Dresden              Wissenschaftler der TU Dresden und der Universität Hasselt in Belgien untersuchten die physikalischen Ursachen, die die Effizienz neuartiger Solarzellen auf Basis organischer molekularer Materialien einschränken. Gegenwärtig ist die Spannung solcher Zellen immer noch zu niedrig - ein Grund für ihre immer noch relativ geringen Wirkungsgrade.                                                       In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler durch Untersuchung der Schwingungen der Moleküle in den Dünnfilmen zeigen, dass sehr grundlegende Quanteneffekte, sogenannte Nullpunktschwingungen, einen signifikanten Beitrag zu Spannungsverlusten leisten können. Die Studie wurde jetzt in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Solarzellen sind ein Kristallisationspunkt großer Hoffnungen auf die notwendige Transformation der globalen Energieerzeugung. Die organische Photovoltaik (OPV), die auf organischen, dh kohlenstoffbasierten Materialien basiert, könnte ideal geeignet sein, um eine wichtige Säule im Energiemix der "erneuerbaren Energien" zu werden, da sie im Vergleich zu herkömmlicher Siliziumbasis eine bessere ökologische Bilanz aufweist Module und nur eine geringe Menge an Material werden benötigt, um die dünnen Filme herzustellen. Eine weitere Effizienzsteigerung ist jedoch erforderlich. Es basiert auf verschiedenen charakteristischen Werten wie der Leerlaufspannung, deren zu niedrige Werte derzeit ein Hauptgrund für die noch recht mäßigen Wirkungsgrade von OPV sind. Die Studie untersuchte physikalische Gründe dafür - einschließlich der Schwingungen der Moleküle in den dünnen Filmen. Es wurde gezeigt, dass die sogenannten Nullpunktschwingungen - ein Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung bei absoluter Temperatur Null charakterisiert - einen signifikanten Einfluss auf Spannungsverluste haben können. Eine direkte Beziehung zwischen molekularen Eigenschaften und makroskopischen Geräteeigenschaften wurde gezeigt. Die Ergebnisse liefern wichtige Informationen für die Weiterentwicklung und Verbesserung neuartiger organischer Materialien. Die niedrige Energiekante der optischen Absorptionsspektren ist entscheidend für die Leistung von Solarzellen, aber bei organischen Solarzellen mit vielen Einflussfaktoren ist dies noch nicht gut verstanden. In der vorliegenden Studie wurde der mikroskopische Ursprung von Absorptionsbanden in molekularen Mischsystemen und ihre Rolle in organischen Solarzellen untersucht. Der Fokus lag auf der Temperaturabhängigkeit der Absorptionseigenschaften, die theoretisch unter Berücksichtigung molekularer Schwingungen untersucht wurde. Die Simulationen stimmten sehr gut mit den experimentell gemessenen Absorptionsspektren überein, was zu einer Reihe wichtiger Befunde führt. Die Autoren entdeckten, dass die durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung vermittelten Nullpunktschwingungen eine beträchtliche Absorptionsbandbreite verursachen. Dies führt zur Wiederemission eines Teils der Energie, der nicht genutzt wird, und verringert somit die Leerlaufspannung. Diese Spannungsverluste können nun anhand elektronischer und vibronischer molekularer Parameter vorhergesagt werden. Ungewöhnlich ist, dass dieser Effekt auch bei Raumtemperatur stark ist und den Wirkungsgrad der organischen Solarzelle erheblich reduzieren kann. Welche Strategien zur Reduzierung dieser vibrationsbedingten Spannungsverluste angewendet werden könnten, wird von den Autoren für eine größere Anzahl von Systemen und unterschiedliche Heteroübergangsgeometrien diskutiert.                                                                                                                                                                   Mehr Informationen: Michel Panhans et al. Molekulare Schwingungen reduzieren die maximal erreichbare Photospannung in organischen Solarzellen, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-15215-x                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Zitat:                                                  Molekulare Schwingungen reduzieren die maximal erreichbare Photospannung in organischen Solarzellen (2020, 20. März)                                                  abgerufen am 22. März 2020                                                  von https://phys.org/news/2020-03-molecular-vibrations-maximum-photovoltage-solar.html                                                                                                                                       Dieses Dokument unterliegt dem Urheberrecht. 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