Gezien de klimaatverandering en de behoeften van de energiehervorming, het is bijzonder belangrijk geworden om de efficiëntie van organische zonnecellen aanzienlijk te verhogen. In een proces dat bekend staat als 'singlet-splijting', een foton wekt tegelijkertijd twee elektronen op. Als dit effect kan worden benut, het is wellicht mogelijk om het vermogen van zonnecellen drastisch te verhogen. Natuurkundigen en scheikundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben in een internationaal gezamenlijk project met de Northwestern University in de VS met succes alle beslissende tussenfasen in het singlet-splijtingsproces uitgewerkt en zijn erin geslaagd het mechanisme in detail te beschrijven Voor de eerste keer. De resultaten zijn gepubliceerd in het toonaangevende vaktijdschrift Natuurcommunicatie .

Moleculen die worden gestimuleerd door licht bereiken een hoger excitatieniveau; dit betekent dat de bijbehorende energie in organische zonnecellen kan worden gebruikt om een ​​elektrische stroom op te wekken. Wanneer een lichtdeeltje botst met en wordt geabsorbeerd door een molecuul, het is mogelijk dat de overtollige energie die in dat ene molecuul wordt gecreëerd, een elektron in een tweede molecuul in zijn directe omgeving kan stimuleren. Als resultaat, beide moleculen zouden een elektron bevatten in een hogere staat van excitatie. Dit proces wordt singlet-splijting (SF) genoemd en het zou, in het beste geval, leiden tot een toename van 50% van de zonnecelprestaties. Echter, de opgewekte energie wordt niet voor altijd vastgehouden door moleculen en de moleculen zullen uiteindelijk terugkeren naar hun vroegere staat. Het principe achter SF is al 50 jaar bekend, maar het exacte mechanisme is nog steeds niet volledig begrepen. Daarom hebben de in Erlangen gevestigde onderzoekers elke tussenfase tussen molecuulstimulatie en terugkeer naar de oorspronkelijke staat nauwkeurig geanalyseerd.

Twee methoden die worden gebruikt om afzonderlijke fasen te identificeren

In samenwerking met internationale onderzoekers, het team van FAU onder Prof. Dr. Dirk M. Guldi (houder van de leerstoel Fysische Chemie I) gebruikte twee verschillende methoden om de afzonderlijke fasen te identificeren. Aangezien alle processen die in een molecuul plaatsvinden na de excitatie ervan met zeer hoge snelheden plaatsvinden, spectroscopische methoden moeten worden gebruikt om in de tijd opgelost inzicht te geven in de afzonderlijke fasen na stimulatie.

Met behulp van spectroscopie, de onderzoekers keken eerst hoe de absorptie-eigenschappen van moleculen veranderden tijdens de deactiveringsfase. Bepaalde overgangsfasen die tussenproducten worden genoemd, laten 'vingerafdrukken' achter waarmee ze duidelijk kunnen worden geïdentificeerd. Sommige tussenproducten, echter, identieke absorptie-eigenschappen hebben, daarom is het noodzakelijk om een ​​tweede methode voor analyse te gebruiken - in dit geval elektronenspinresonantiespectroscopie. Dit komt omdat sommige tussenproducten verschillen met betrekking tot de spin van hun gestimuleerde elektronen. Door deze twee methoden naast elkaar te gebruiken, het FAU-team slaagde erin om alle tussenproducten te identificeren en een gestandaardiseerd model te ontwikkelen van wat er in SF gebeurt. De onderzoekers hopen dat de resultaten van hun werk het mogelijk zullen maken om molecuulontwerp gerichter te benaderen, waardoor de productie van een zonnecel die werkt op basis van het singlet-splijtingsprincipe haalbaar wordt.