Orgaaniliste fotoelementide kasutamine elektritootmises päikeseenergia abil on atraktiivne ja paljulubav alus innovatiivsele ja keskkonnasõbralikule energiatootmisele. Neid saab toota üpriski ökönoomiliselt ning tänu sellele, et need on sama painduvad kui plastikkile, saab neid toota ka väga paindlikena. Probleem seisneb aga selles, et need on turul hetkel vähemefektiivsed kui tavapärased mitteorgaanilised pooljuht-fotoelemendid. Valguse muundamisel elektrienergiaks on kõige olulisemaks protsessiks vabade laengukandjate tekkimine. Fotomuundamise esimeses sammus, pärast valguse neeldumist vabastab fotoelemendi üks komponent, tavaliselt polümeer, elektrone, mille haarab endasse elemendi teine komponent – antud juhul räni nanoosakesed – ning need saab seejärel edasi transportida.
Orgaaniline fotoelement.
,,Laengute eraldumise mehhanism ja ajakulu on olnud juba aastaid vastuoluliste teadusdebattide teemaks,” sõnas LMU füüsikaprofessor Eberhard Riedle. Koostöös uurijatega Müncheni Tehnilisest Ülikoolist ja Bayerni Ülikoolist suutis Eberhardi töörühm selle protsessi üksikasjalikult lahata. Selleks kasutasid teadlased uudset hübriidelemendi tüüpi, mis sisaldab nii orgaanilisi kui ka mitteorgaanilisi materjale ning milles räni käitub kui akseptormaterjal. Selle süsteemi abil saadud informatsiooni põhjal töötasid nad välja strateegia, mille abil saab parandada polümeeri struktuuri. Lisaks leiti, et see parandus suurendab laengute eraldumise efektiivsust orgaanilistes pooljuhtides pea kahe korra. Nende tulemuste abil on võimalik orgaaniliste päikeseelementide tööomadusi optimiseerida, kirjutab Physorg.com.
Selle läbimurde võti seisneb unikaalsel laseritel põhineval eksperimentaalsel ülesehitusel, milles on kombineeritud erakordselt suur ajaline täpsus(kuni 40 femtosekundit) ning väga suur detekteerimisvahemik. Tänu sellele said teadlased jälgida ülikiiret protsessi, mis pärast footonite neeldumist toimus, reaalajas. Erinevalt tavalistest päikeseelementidest, kasutatasid teadlased fullereenide asemel elektronide akseptorina räni – valik, millel on kaks suurt eelist.
,,Esiteks saime me nende uute hübriidelementide abil sondeerida polümeeris toimuvaid fotofüüsikalisi protsesse täpsemini kui kunagi varem ning teiseks sai tänu räni kasutamisele kasutada elektritootmisel ära palju laiema lainepikkuste vahemikuga valgust,” selgitas Riedle.
Selgub, et vabad laengukandjad – niinimetatud polaronid – ei teki mitte kohe pärast fotoergastust vaid umbes 140 femtosekundit hiljem. Polümeerimolekuli esmane fotoergastub viib kõigepealt ergastatud oleku ehk niinimetatud eksitoni moodustumiseni. See aga dissotsieerub kohe, vabastades elektroni, mis kantakse seejärel elektronide akseptorisse. Elektronide kaotamine jätab endast polümeeri alles positiivselt laetud ,,augud” ning kuna erimärgilised lanegud üksteist Coulombi jõuga tõmbavad, siis kipuvad need rekombineeruma.
,,Vabade laengukandjate saamiseks peavad nii auk kui ka elektron olema mõlemad piisavalt liikuvad, et Coulombi jõud ületada,” seletas Daniel Herrmann, uurimuse peaautor. Uurimuses osalenud teadlased suutsid esmakordselt näidata, et seda on palju kergem saavutada korrastatud, ühtlase struktuuriga polümeerides. Teisisõnu suurendab polümeeri kõrge iseorganiseeruvus märgatavalt laengute eraldumise efektiivsust.
,,Polümeer, mida me kasutasime, on üks mõnest, millel teatakse olevat iseorganiseeruvad omadused. Seda käitumist saab nii piirata kui ka sobivate töötlemisparameetrite abil sellele kaasa aidata,” ütles Hermann. P3HT polümeeri kavala optimiseerimise tulemusena suutsid teadlased kahekordistada vabade laengukandjate hulka ning suurendada seega nende eksperimentaalsete päikeseelementide efektiivsust.