Solcellsmaterial kan hjälpa självkörande bilar i mörkret

Material som används i organiska solceller kan också användas som ljussensorer i elektronik. Det visar forskare vid Linköpings universitet som har utvecklat en typ av sensor som kan upptäcka så kallat cirkulärt polariserande rött ljus. Studien, som är publicerad i Nature Photonics, banar väg för mer tillförlitliga självkörande fordon och andra användningsområden där mörkerseende är viktigt.

Vissa skalbaggar med glänsande vingar, larver hos eldflugor och färgglada mantisräkor reflekterar ett särskilt sorts ljus som kallas för cirkulärt polariserande ljus. Det beror på mikroskopiska strukturer i deras skal som får det elektromagnetiska vågorna i ljuset att reflekteras på ett särskilt sätt.

Cirkulärt polariserande ljus har också många tekniska användningsområden som bland annat satellitkommunikation, avbildningsteknik (bioimaging) och andra sensorteknologier. Det beror på att cirkulärt polariserande ljus bär på en stor mängd information tack vare att det elektromagnetiska fältet runt ljusstrålen antingen kan ha en höger- eller vänstervriden spiral.

För att upptäcka cirkulärt polariserande ljus behövs ett material som kan uppfatta åt vilket håll spiralen är vriden. Redan idag finns det material som kan uppfatta och avkoda cirkulärt polariserande ljus i nästan hela det synliga ljusspektrumet – förutom i den delen som ligger närmast infrarött. Nu har forskare vid Linköpings universitet utvecklat ett material, som normalt används till organiska solceller, för att fånga upp just de ljusstrålarna.

– Det har länge varit en utmaning att få till högkvalitativa sensorer som kan upptäcka cirkulärt polariserande ljus nära det infraröda spektrumet. Men tack vare en vidareutveckling av ett material vi normalt använder i solceller kan vi nu upptäcka cirkulärt polariserande ljus i hela det synliga ljusspektrumet, säger Feng Gao, professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet.

Upptäckten banar väg för tekniska lösningar där mörkerseende spelar en avgörande roll som exempelvis i självkörande bilar. Tack vare materialets lätta vikt och enkla tillverkningsprocess kan de användas i små och billiga sensorer.

Solcellsmaterialet består av polymerer (långa kedjor med kolväten) och kan ha en klotrund molekylstruktur som kallas fulleren, eller så har de en annan struktur och då kallas materialet icke-fullerent. Materialet i den aktuella studien är icke-fullerent vilket har visat sig vara fördelaktigt för både solceller och andra användningsområden som ljussensorer.

Materialets förmåga att känna av cirkulärt polariserande ljus beror på dess så kallade kiralitet, det vill säga hur mottagarmolekylerna interagerar med ljuset. Kiralitet hos molekyler kan enklast förklaras som ett par händer – höger- och vänsterhanden har samma uppbyggnad men är just spegelvända och får därmed lite olika funktioner. Tack vare kiraliteten kan olika molekyler känna av om den elektromagnetiska strålningen är höger- eller vänstervriden.

– Nästa steg är att utöka försöken till flera olika material och undersöka hur molekylerna och ljuset interagerar med varandra i dem. På så sätt hoppas vi att effektiviteten kan öka, säger Li Wan, postdoktor på IFM.

Rui Zhang, också han postdoktor på IFM tillägger:

– Även förmågan att styra hur molekylerna packas kan vara viktigt att förstå.

Studien finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, via den svenska strategiska satsningen på nya funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet och Stiftelsen för strategisk forskning.

Artikeln: Sensitive near-infrared circularly polarized light detection via non-fullerene acceptor blends; Li Wan, Rui Zhang, Eunkyung Cho, Hongxiang Li, Veaceslav Coropceanu, Jean-Luc Brédas & Feng Gao; Nature Photonics 17 (2023), publicerad online 08 June. DOI: 10.1038/s41566-023-01230-z

Kontakt: Feng Gao, professor, feng.gao@liu.se, 013-28 68 82