Filmar energiomvandlingen i solcellen

Solceller av plast är billiga men hittills har man inte riktigt vetat hur de fungerar. Nu har forskare i Lund tillsammans med kollegor i Vilnius och London använt superkorta laserpulser för att filma hur ljus omvandlas till elektroner. Resultaten publicerades i förra veckan i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.

– Resultaten har stor betydelse för utveckling av nya bättre plastsolceller och visar att polymermaterial med optimerad laddningsrörlighet kommer att ge solceller med högre verkningsgrad, säger professor Villy Sundström i ett pressmeddelande.

Dagens solceller av kisel är för dyra för att få ett brett genomslag. Mycket av forskningen fokuserar därför på billigare material som plastbaserade Grätzelsolceller eller solceller baserade på nanotrådar. Bägge teknikerna har potential för storskalig användning. Två svenska företag på området är Exeger (fd Nlab Solar) som håller på att bygga en fabrik på 2500 kvadratmeter i Stockholm (länk) och Lundabolaget Sol Voltaics vars kommande solceller baseras på nanotrådar (länk).

Ett problem med de billigare materialen är att man inte vetat hur ljusets energi omvandlas till el och därför inte kunnat optimera solcellerna. Enligt teorin borde nämligen dessa solceller inte ge ifrån sig någon elström eftersom cellens positiva och negativa laddningar är bundna till varandra som siamesiska tvillingar, skriver forskarna.

Trots det vet vi att de fungerar och kan ha en verkningsgrad på över 10 procent.

Nu har alltså forskare från bland annat Lund lyckats filma elektroner och de positiva hål som bildas efter dem när de rör sig inom solcellen. Arbetet som publicerats i Nature Communications den 15:e augusti (länk) visar att det är laddningarnas höga rörlighet (diffusion) som avgör om de kan slita sig från varann och ge upphov till ström i solcellen.

Polymermolekyler (gröna) och kolbollar (fullerener, blå) utgör det aktiva materialet i en plastsolcell. Ljus absorberas i den gröna polymerdelen och elektroner (e-) och positiva hål (e+) bildas tätt bundna tillsammans som Siamesiska tvillingar. Hittills har man inte kunnat förklara hur laddningarna separerar och bildar ström. Med hjälp av superkorta laserpulser kan vi nu ”se” hur laddningarna flyger isär med hög hastighet – laddningarnas rörlighet (diffusion) är direkt avgörande för om de lyckas befria sig från varandras attraktion och bilda fotoström i solcellen, eller om de kollapsar och bara blir till värme.