新经网磁性纳米粒子可以提高由聚合物制成的太阳能电池的性能-前提是混合物是正确的。这是DESY同步辐射源PETRAIII的X射线研究结果。根据慕尼黑技术大学的PeterMüller-Buschbaum教授领导的一组科学家的调查结果显示，按重量计约1%的纳米颗粒使太阳能电池更有效率。他们将在即将出版的“先进能源材料”期刊上发表他们的研究报告聚合物或有机太阳能电池具有巨大的潜力：它们价格低廉，灵活且用途广泛。与已建立的硅太阳能电池相比，它们的缺点是效率较低。通常，它们仅将入射光的百分之几转换成电能。尽管如此，有机太阳能电池在许多情况下已经具有经济可行性，科学家们正在寻找新的方法来提高效率。
一种有希望的方法是添加纳米颗粒。例如，已经表明，金纳米颗粒吸收额外的太阳光，当金颗粒再次释放能量时，太阳光又产生额外的电荷载流子。
然而，Müller-Buschbaum的团队一直在寻求不同的方法。“光在太阳能电池中产生成对的电荷载流子，由带负电的电子和带正电的空穴组成，这是一个电子缺失的位置，”当前研究的主要作者，Müller的DanielMoseguíGonzález解释说。-Buschbaum的小组。“制造有机太阳能电池的技术是在它们重新组合之前分离这个电子-空穴对。如果它们这样做，产生的电荷将会丢失。我们正在寻找延长电子空穴对寿命的方法，将允许我们将更多的它们分开并将它们引导到相对的电极。“
该策略利用量子物理原理，该原理指出电子具有一种内部旋转，称为自旋。根据量子物理定律，这个自旋的值为1/2。带正电的孔也具有1/2的旋转。如果它们在相同的方向上，则两个旋转可以相加，或者如果它们在相反的方向上则相互抵消。因此，电子-空穴对可以具有0或1的总旋转。具有1的旋转的对存在比具有0的总旋转的对更长。
研究人员着手寻找一种能够将自旋0状态转换为自旋1状态的材料。这需要重元素的纳米颗粒，其翻转电子或空穴的自旋，使得两个颗粒的自旋在相同方向上对齐。事实上，氧化铁磁铁矿(Fe3O4)能够做到这一点。MoseguíGonzález表示：“在我们的实验中，向基质中添加磁铁矿纳米颗粒可将太阳能电池的效率提高11%。”电子-空穴对的寿命显着延长。
添加纳米颗粒是常规程序，其可以在制造有机太阳能电池的各种方法的过程中容易地进行。然而，重要的是不要向太阳能电池添加太多纳米颗粒，因为有机太阳能电池的内部结构经过精细调整以优化聚光活性材料之间的距离，因此电荷载体对可以是尽可能有效地分开。这些结构的范围为10至100纳米。
“X射线调查表明，如果你将大量的纳米粒子混合到用于制造太阳能电池的材料中，你就会改变它的结构，”共同作者斯蒂芬·罗斯博士说道，他是PETRAIII的DESY光束线P03的负责人，进行实验的地方。“我们研究过的太阳能电池能够容忍磁铁矿纳米粒子的掺杂水平达到1%(质量分数)，而不会改变其结构。”
科学家观察到当他们用0.6%重量的纳米颗粒掺杂基质时效果最大。这导致所检测的聚合物太阳能电池的效率从3.05%增加到3.37%。“能源产量增加11%对于使材料在特定应用中具有经济可行性至关重要，”Müller-Buschbaum强调说。
研究人员相信，通过掺杂纳米颗粒，也可以提高其他聚合物太阳能电池的效率。“高性能聚合物与纳米粒子的结合有望在未来进一步提高有机太阳能电池的效率。但是，如果没有详细检查，例如使用同步加速器发出的X射线，它将是不可能对所涉及的基本过程有一个基本的了解，“Müller-Buschbaum总结道。
