Allylrhodanine-verwerkte all-small-molecule organische zonnecel bereikt een doorbraak van 18,43% efficiëntie

Slimmere zonnecellen voor dagelijks gebruik

Zonnepanelen verschijnen op daken, rugzakken en zelfs ramen — maar veel zijn nog steeds zwaar, stijf en duur om te maken. Deze studie verkent een ander type zonnetechnologie opgebouwd uit kleine organische moleculen die als kranteninkt op dunne, flexibele vellen kunnen worden gedrukt. Door nauwkeurig te sturen hoe deze moleculen zich ordenen tijdens het drogen, drijven de onderzoekers een veelbelovend type organische zonnecel naar een recordbrekende efficiëntie, waardoor ultralichte, buigbare zonne-energie dichter bij praktische toepassing komt.

Waarom flexibele zonnepanelen moeilijk te perfectioneren zijn

In tegenstelling tot de siliciumpanelen op de meeste daken, gebruiken organische zonnecellen koolstofhoudende moleculen die in vloeistof zijn opgelost en tot een dunne film worden uitgespreid. All-small-molecule versies bieden grote voordelen voor massaproductie: hun structuur is goed gedefinieerd, ze zijn eenvoudig te zuiveren en ze vertonen consistente eigenschappen van batch tot batch. Maar er is een probleem. Deze kleine moleculen hebben de neiging sterk te kristalliseren en in de film in grote "eilanden" te scheiden. Omdat de elektrische ladingen die door zonlicht worden opgewekt slechts een korte afstand kunnen afleggen voordat ze verdwijnen, zorgen te grote eilanden ervoor dat veel ladingen nooit de elektroden bereiken, wat de stroom en de totale efficiëntie beperkt.

Een klein hulp-molecuul komt tussenbeide

Het team pakt dit probleem aan door een zeer kleine hoeveelheid van een hulpverbinding genaamd 3-allylrhodanine toe te voegen aan een mengsel van een donor-molecuul (MPhS-C2) en een acceptor-molecuul (N3). Deze hulpstof is een "vluchtig vast additief": het vormt tijdelijk deel van het mengsel tijdens het coaten en verdampt vervolgens volledig tijdens een korte verwarmingsstap, zonder residu achter te laten in het afgewerkte apparaat. Hoewel de structuur ervan lijkt op een deel van de donor, tonen gedetailleerde computercalculaties en kernspinresonantie-experimenten aan dat het in werkelijkheid de voorkeur geeft aan sterkere interacties met de acceptor. Deze selectieve aantrekking stelt de hulpstof in staat te sturen hoe beide componenten zich ordenen terwijl de natte film droogt.

Het leiden van de film tijdens het drogen

Met tijdsgerelateerde optische metingen, röntgencattering, atomaire-krachtmicroscopie en elektronenmicroscopie volgen de onderzoekers in realtime hoe de film vorm krijgt. Normaal gesproken begint de donor eerst te kristalliseren en dwingt de acceptor in grote, grove gebieden. Wanneer het additief aanwezig is, verandert het subtiel het tijdsverloop: het verkort het venster waarin de donor kan overgroeien, vertraagt en matigt de kristallisatie van de acceptor en verbetert hoe beide materialen zich over de onderliggende contactlaag verspreiden. Het eindresultaat is een gladdere film met veel kleinere, gelijkmatiger verdeelde domeinen en een meer uniforme verticale structuur van boven naar beneden — een fijn verweven netwerk in plaats van klonten en gaten.

Langere levensduur van ladingen en hoger vermogen

Deze verfijnde interne structuur heeft duidelijke elektrische voordelen. Metingen van hoe licht door de diepte van de film wordt geabsorbeerd tonen aan dat excitonen — gebonden ladingsparen die door licht worden gecreëerd — meer uniform en dichter bij de elektroden worden gegenereerd, zodat ze kortere afstanden hoeven af te leggen voordat ze worden gescheiden. Tests van ladingsstromen laten hogere en meer gebalanceerde mobiliteiten voor elektronen en gaten zien, minder vallen waar ladingen vastlopen en minder recombinatie waarbij ze elkaar vernietigen. Ultrafast-laserspectroscopie bevestigt dat ladingen sneller scheiden en langer leven voordat ze recombineren. Samen verhogen deze effecten de stroom en vooral de vulfactor, wat leidt tot een vermogenconversie-efficiëntie van 18,43 procent — onafhankelijk gecertificeerd op 18,16 procent — de hoogste tot nu toe voor deze klasse van tweedelige klein-molecuul organische zonnecellen.

Wat dit betekent voor toekomstige zonnedragers

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat een zorgvuldig gekozen tijdelijk additief kan fungeren als een "bouwplaatsopzichter" voor de actieve laag in een flexibele zonnecel. 3-allylrhodanine blijft niet in het apparaat achter, maar zolang het aanwezig is leidt het hoe de bouwstenen op hun plek vallen, waardoor een fijner interne textuur ontstaat die licht-geïnduceerde ladingen helpt te ontsnappen en als elektriciteit te worden geoogst. De studie weerlegt ook de simpele aanname dat een additief voornamelijk werkt met het materiaal waarop het het meest lijkt; in plaats daarvan hangt de doeltreffendheid af van een subtiel evenwicht van aantrekkingen tot alle componenten. Dit ontwerpinzicht zou onderzoekers moeten helpen nog betere additieven te ontwikkelen en gedrukte, lichtgewicht organische zonnepanelen naar de efficiënties te sturen die nodig zijn voor alledaagse energievoorziening.

Bronvermelding: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

Trefwoorden: organische zonnecellen, klein-molecuul fotovoltaïsche systemen, morfologiecontrole, vaste additieven, flexibele zonnepanelen