Flexibel organisk solcell, elektroniskt papper och piezoelektrisk textil
​Dubbeldopning kan möjliggöra förbättring av effektiviteten hos flexibla organiska solceller (vänster), öka växlingshastigheten för elektroniskt papper (center) och effektdensiteten hos piezoelektriska textiler (höger). Solcellen levererades av Epishine AB.

Genombrott inom organisk elektronik

​En enkel idé från forskare på Chalmers – om hur man i ett slag skulle kunna fördubbla effektiviteten hos organisk elektronik – visade sig hålla. OLED-displayer, plastbaserade solceller och bioelektronik är teknologier som nu kan bli mer konkurrenskraftiga genom upptäckten att det går att ”dubbeldopa” polymerer.

​Idag är största delen av elektroniken i vår vardag baserad på oorganiska halvledare som till exempel kisel. En avgörande teknologi som används för att få komponenter till solceller och LED-skärmar att fungera är en process som kallas dopning, där föroreningar vävs in i halvledaren för att förbättra dess förmåga att leda elektricitet.

För organiska, det vill säga kolbaserade, halvledare är denna dopning av lika stor betydelse. Sedan upptäckten av elektriskt ledande plaster eller polymerer, en upptäckt som bland annat tilldelades Nobelpris år 2000, har forskning och utveckling inom organisk elektronik accelererat snabbt. OLED-displayer är ett exempel som redan finns på marknaden, bland annat i senaste generationen smarta telefoner. Andra tillämpningar har ännu inte nått dit, bland annat på grund av att de organiska halvledarna inte har varit tillräckligt effektiva.

Dopning i de organiska halvledarna sker genom en så kallad redoxreaktion, vilket innebär att en dopningsmolekyl får en elektron av halvledaren. Den elektriska ledningsförmågan hos halvledaren ökar. Ju fler dopningsmolekyler det går att stoppa in i halvledaren desto bättre ledningsförmåga. Men bara till en viss gräns, sedan avtar ledningsförmågan. Gränsen för de dopade organiska halvledarnas effektivitet har satts av att dopningsmolekylerna bara kunnat ta emot en elektron vardera.

I en artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature Materials visar nu professor Christian Müller och hans forskningsgrupp, tillsammans med kollegor vid sju universitet, att det går att förflytta två elektroner till varje dopningsmolekyl.

– Den blir då i ett slag, genom så kallad ”dubbeldopning”, dubbelt så effektiv, säger David Kiefer, doktorand i gruppen och förste författare av artikeln.

Enligt Christian Müller handlar det egentligen inte om någon stor teknisk landvinning. Snarare om att se det andra inte sett.

– Hela forskarfältet har varit helt inne på att studera en typ av material som bara tillåter en redoxreaktion per molekyl. Vi valde att titta på en annan typ av polymer, med lägre joniseringsenergi, som tillåter två elektronöverföringar. Det är egentligen väldigt enkelt, säger Christian Müller, professor i polymervetenskap vid Chalmers.

Upptäckten kan komma att tillåta ytterligare förbättringar för nya teknologier som idag inte är tillräckligt konkurrenskraftiga för att nå ut på marknaden. Ett problem är att polymererna inte leder ström tillräckligt bra, och därför har effektivare dopningsteknik länge fokuserats inom polymerbaserad elektronik. Att nu kunna dubblera ledningsförmågan hos polymerer, med samma mängd dopningsmaterial och på samma yta som tidigare, kan komma att innebära just den injektion som flera teknologier behöver för att kommersialiseras.

– Med OLED-displayer har utvecklingen redan kommit så långt att de finns på marknaden. Men för att andra teknologier ska lyckas ta sig hela vägen ut till marknaden behövs något extra. Vid organiska solceller till exempel, eller kretsar byggda av organiskt material, behövs en möjlighet att dopa vissa komponenter i samma utsträckning som vi idag dopar kiselbaserad elektronik. Vår metod är ett steg i rätt riktning, säger Christian Müller.

Upptäckten är så pass grundläggande att den kan komma att hjälpa tusentals forskare att göra framsteg inom flexibel elektronik, bioelektronik och termoelektricitet. Själv driver Christian Müllers forskargrupp projekt inom flera olika tillämpningsområden, med polymerteknologi som grund. Bland annat utvecklar de elektriskt ledande textilier och organiska solceller.

Läs mer i artikeln i den vetenskapliga tidskriften Nature Materials: "Double Doping of Conjugated Polymers with Monomer Molecular Dopants"

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse samt Europeiska forskningsrådet, och genomförts i samarbete med kollegor från Linköpings universitet, KAUST (Saudiarabien), Imperial College (Storbritannien), Georgia Tech och University of California Davis (USA) samt tyska Chemnitz University of Technology.


Publicerad: må 14 jan 2019. Ändrad: ti 15 jan 2019