Twee-in-een oplossing voor goedkope polymeer led's en zonnecellen

Het Ulsan National Institute of Science and Technology (Unist) in Zuid Korea meldt een aanzienlijke verbetering in de prestaties van opto-elektronische componenten op polymeerbasis. Dat is mogelijk dank zij een nieuw plasmonische materiaal, dat kan worden gebruikt voor polymeer led's (Pled's) en polymeer zonnecellen (PSC's). Met een simpel en goedkoop proces worden recordprestaties behaald.

Door de strijdige eisen voor led's en zonnecellen zijn er maar weinig metaal-nanodeeltjes die de prestaties van beide soorten componenten kunnen verbeteren. De meeste halfgeleidende opto-elektronische componenten, zoals fotodiodes, zonnecellen, led's en halfgeleiderlasers, zijn gemaakt van anorganische materialen. Voorbeelden daarvan zijn galliumnitride voor led's en silicium voor zonnecellen. Omdat sommige grondstoffen maar beperkt beschikbaar zijn en het fabricageproces voor anorganische optische componenten complex is, stijgen de productiekosten. Er is dan ook een grote belangstelling voor dunnefilm opto-elektronische componenten op basis van alternatieve halfgeleiders en dan vooral organische halfgeleiders. Die lenen zich in principe voor goedkope productie van grote oppervlakken in een veel eenvoudiger proces.

Serieproductie

Het materiaal dat door Unist is bedacht, is makkelijk synthetisch te maken met elementaire apparatuur en kan worden verwerkt in processen met oplossingen bij lage temperatuur. Dank zij die lage-temperatuurprocessen zijn roll-to-roll serieproductietechnieken mogelijk en is het materiaal geschikt voor geprinte elektronica.

"Ons werk is significant, ook al omdat het anticipeert op het vervaardigen van elektrisch aangestuurde lasercomponenten, door het gebuik van CD-AgNP's (carbon-dot* supported zilver-nanodeeltjes) als plasmonisch materiaal", vindt professor Byeong-Su Kim. "Het materiaal maakt een significante stralingsemissie mogelijk en additioneel lichtabsorptie, wat leidt tot een opmerkelijk hoger stroom-rendement." 

PSR

Oppervlakte-plasmonresonantie (SPR) is een elektromagnetische golf die zich voortplant langs het oppervlak van een dunne metaallaag en de collectieve oscillatie van elektronen in een vaste stof of vloeistof die wordt gestimuleerd door invallend licht. SPR is de basis van veel standaard hulpmiddelen voor het meten van de absorptie van materialen naar planaire materiaaloppervlakken (gewoonlijk goud en zilver) of naar het oppervlak van metaal nanodeeltjes.

Het team demonstreerde efficiënte Pled's en PSC's die SPR gebruiken met CD-AgNP's. De Pled's halen een opmerkelijk hoog stroomrendement (van 11,65 tot 27,16 cd/A) en een verlichtingsrendement LE (van 6,33 naar 18,54 lm/W).  Polymeerzonnecellen die zo zijn vervaardigd, hebben een verbeterd vermogensomzettingsrendement  (van 7,53 tot 8,31%) en een verbeterd intern kwantumrendement (van 91% tot 99% bij 460 nm), Deze waarden behoren tot de hoogste die tot nu toe zijn gerapporteerd met betrekking tot Pled's en PSC's.

Veelzijdig en effectief

"Deze significante verbeteringen laten zie dat materialen met oppervlakteplasmonresonantie een veelzijdige en effectieve route vormen naar polymeer led's en zonnecellen met een hoog rendement en later ook naar polymeerlasers", zegt professor Jin Young Kim. 

Tot de onderzoekers behoren Hyosung Choi, Seo-Jin Ko, Yuri Choi, Taehyo Kim, Boram Lee, and prof. Myung Hoon Song van Unist, en onderzoekers van de Chungnam National University, de Pusan National University, en het Gwangju Institute of Science and Technology.

*) Carbon dots (CD's) bestaan uit koolstof, waterstof en zuurstof met een quasi-bolvormige structuur, waarbij het koolstof het karakter heeft van kristallijn grafeen.

"Surface plasmon resonance of carbon dot-supported silver nanoparticles: Versatility in polymer optoelectronic devices", Nature Photonics. DOI: 10.1038/nphoton.2013.181