Nieuw onderzoek toont potentie organische halfgeleiders voor zonnepanelen

Het onderzoek biedt voor het eerst inzicht in hoe defecten in zogenaamde geconjugeerde polymeren ontstaan. Polymeren kunnen gebruikt worden in plooibare zonnecellen, sensoren en smartwatches.

Stappenplan
‘Maar doordat er makkelijk defecten optreden, worden ze nog niet optimaal gebruikt en met ons onderzoek creëren we nu een stappenplan om te komen tot de perfecte materiaalbasis voor polymere halfgeleiders’, vertellen Wouter Maes en Jochen Vanderspikken van imo-imomec UHasselt.

Geconjugeerde polymeren zijn (half)geleidende materialen die bestaan uit lange ketens van dezelfde bouwstenen. Maes en Vanderspikken: ‘Eenvoudig gesteld kan je de best presterende geconjugeerde polymeren vergelijken met een keten van rode en blauwe balletjes die aan elkaar gekoppeld worden en zo één lange ketting vormen waarbinnen signalen worden doorgegeven. Op die manier kunnen polymeren gebruikt worden als geleiders in onder andere zonnecellen, sensoren of smartwatches. Doordat ze bestaan uit basiselementen zoals koolstof, zuurstof en waterstof, zijn ze veel duurzamer dan de anorganische halfgeleiders uit veel zeldzamere grondstoffen die nu gebruikt worden.’

Niet altijd
‘Jarenlang werd er bij het maken van geconjugeerde polymeren van uitgegaan dat als je de rode en blauwe balletjes samenvoegt, deze elkaar mooi afwisselen in de keten, waarbij een blauw bouwsteentje zich steeds aan een rood vasthecht’, vervolgt Vanderspikken. ‘Ons onderzoek in samenwerking met imec, KU Leuven, VUB, UMons, University of Birmingham en Stanford University laat nu voor het eerst zien dat dat helemaal niet altijd het geval is, en dat het binnen polymeren zelfs vaak voorkomt dat bouwstenen van dezelfde kleur zich aan elkaar koppelen, waardoor de polymeren minder goed werken.’

Defecten in beeld
Het is voor het eerst dat deze defecten nu effectief in beeld worden gebracht en er ook een getal op geplakt kan worden. De onderzoekers slaagden daarin door gebruik te maken van een moleculaire ‘scanning tunneling’ microscoop die voor een ongezien inzicht zorgde in de structuur van polymere organische halfgeleiders. Hiervoor bracht Vanderspikken onder andere 7 maanden door aan de prestigieuze Amerikaanse universiteit Stanford, met de steun van het FWO en Rotary Genk-Staelen.

‘Met dit onderzoek kunnen we aantonen dat het belangrijk is om te kijken naar de pure chemische structuur van geconjugeerde polymeren, iets dat veel te lang door het veld genegeerd werd’, stelt Maes. ‘Wij tonen hier nu aan dat deze defecten bestaan en wel degelijk een rol spelen in hoe efficiënt de polymeren werken. Hiermee zetten we grote stappen om geconjugeerde polymeren veel breder te gaan inzetten.’

Vermijden
Naast protocollen om defecten te kunnen opsporen, werkten de onderzoekers ook aan een stappenplan om deze defecten in de toekomst te vermijden. Vanderspikken: ‘Heel simpel uitgelegd, hebben wij gevonden dat als je een blauw bouwsteentje in twee hakt en deze aan de buitenzijdes van een rode molecule plaatst, je steeds een mooie keten van afwisselend rode en blauwe bouwstenen hebt als basis voor je polymeer. Met dit stappenplan kunnen onderzoekers wereldwijd nu aan de slag om geconjugeerde polymeren te maken die identiek zijn aan elkaar, want die reproduceerbaarheid was door de defecten die opdoken erg moeilijk. Eindelijk zit de basis van ons materiaal nu dus goed.’

De onderzoekers willen deze perfecte materiaalbasis voor geconjugeerde polymeren nu gebruiken om de materialen op te schalen en te gebruiken binnen grotere toepassingen zoals in flexibele zonnecellen, detectoren en sensoren voor onder andere medische toepassingen.