Allylrhodanin-behandlad all-små-molekyl organisk solcell uppnår ett genombrott med 18,43% verkningsgrad

Smartare solceller för vardagsbruk

Solpaneler dyker upp på tak, ryggsäckar och till och med fönster—men många är fortfarande tunga, styva och dyra att tillverka. Denna studie undersöker en annan typ av solteknik byggd av små organiska molekyler som kan tryckas som tidningssvärta på tunna, flexibla ark. Genom att noggrant finjustera hur dessa molekyler ordnar sig när filmen torkar pressar forskarna en lovande typ av organisk solcell till rekordhög verkningsgrad, vilket för ultralätta, böjbara solceller närmare praktisk användning.

Varför flexibla solpaneler är svåra att förbättra

Till skillnad från kiselpanelerna på de flesta tak använder organiska solceller kolbaserade molekyler lösta i vätska som sprids ut till en tunn film. All-små-molekyl-varianter erbjuder stora fördelar för storskalig tillverkning: deras struktur är väl definierad, de kan renas lätt och de uppträder konsekvent från sats till sats. Men det finns en hake. Dessa små molekyler tenderar att kristallisera starkt och separera i stora ”öar” inne i filmen. Eftersom de elektriska laddningar som skapas av solljus bara kan förflytta sig en kort sträcka innan de försvinner, innebär alltför stora öar att många laddningar aldrig når elektroderna, vilket begränsar ström och den totala verkningsgraden.

En liten hjälpmolekyl kliver in

Teamet tacklar problemet genom att tillsätta en minimal mängd av en hjälpförening kallad 3-allylrhodanin till en blandning av en donatormolekyl (MPhS-C2) och en acceptormolekyl (N3). Denna hjälp är en ”flyktig solid tillsats”: den går tillfälligt med i blandningen under beläggningen och avdunstar sedan helt under ett kort uppvärmningssteg, utan att lämna något rester i den färdiga apparaten. Även om dess struktur liknar delar av donatorn visar detaljerade datorberäkningar och kärnmagnetisk resonansexperiment att den faktiskt föredrar att interagera starkare med acceptorn. Dessa selektiva attraktionskrafter tillåter hjälpmedlet att styra hur båda komponenterna ordnar sig medan den våta filmen torkar.

Vägledning av filmen när den torkar

Med tidsupplösta optiska mätningar, röntgonspridning, atomkraftsmikroskopi och elektronmikroskopi följer forskarna filmens formning i realtid. Normalt börjar donatorn kristallisera först och driver acceptorn till stora, grova regioner. När tillsatsen är närvarande förändrar den subtilt tidpunkten: den förkortar fönstret under vilket donatorn kan överväxa, fördröjer och mildrar acceptorns kristallisering och förbättrar hur båda materialen sprider sig över det underliggande kontaktlagret. Slutresultatet är en jämnare film med mycket mindre, mer jämnt fördelade domäner och en mer uniform vertikal struktur från topp till botten—ett fint sammanflätat nätverk snarare än klumpar och glipor.

Längrelivade laddningar och högre effekt

Denna förfinade inre struktur har tydliga elektriska fördelar. Mätningar av hur ljus absorberas genom filmens djup visar att excitoner—bundna laddningspar skapade av ljus—genereras mer jämnt och närmare elektroderna, så att de rör sig kortare sträckor innan de separeras. Tester av laddningsflöde visar högre och mer balanserade rörligheter för elektroner och hål, färre fällor där laddningar fastnar och mindre rekombination där de annihilerar varandra. Ultrafast laserspektroskopi bekräftar att laddningar separeras snabbare och lever längre innan de rekombinerar. Tillsammans höjer dessa effekter strömmen och särskilt fyllnadsfaktorn, vilket leder till en verkningsgrad för omvandling av effekt på 18,43 procent—oberoende certifierad till 18,16 procent—det högsta hittills för denna klass av tvåkomponents små-molekylära organiska solceller.

Vad detta betyder för framtida solfilmer

För en icke-specialist är huvudbudskapet att en noggrant vald temporär tillsats kan fungera som en ”byggnadsarbetsledare” för det aktiva lagret i en flexibel solcell. 3-allylrhodanin stannar inte kvar i apparaten, men medan den är närvarande styr den hur byggstenarna faller på plats och ger en finare intern textur som hjälper ljusgenererade laddningar att undkomma och skördas som elektricitet. Studien kullkastar också den enkla antagelsen att en tillsats främst verkar med det material den mest liknar; istället beror dess effektivitet på en subtil balans av attraktioner till alla komponenter. Denna designinsikt bör hjälpa forskare att utforma ännu bättre tillsatser och driva tryckta, lätta organiska solpaneler mot de verkningsgrader som krävs för vardaglig elproduktion.

Citering: 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

Nyckelord: organiska solceller, små-molekyl-fotovoltaik, morfologikontroll, solida tillsatser, flexibla solpaneler