Wetenschappers van de Universiteit van Basel hebben een manier gevonden om de ruimtelijke rangschikking van bipyridine-moleculen op een oppervlak te veranderen. Deze potentiële componenten van kleurstofgevoelige zonnecellen vormen complexen met metalen en veranderen daardoor hun chemische conformatie. De resultaten van deze interdisciplinaire samenwerking tussen chemici en natuurkundigen uit Bazel zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Omega .

Kleurstofgevoelige zonnecellen worden al jaren beschouwd als een duurzaam alternatief voor conventionele zonnecellen. ook al is hun energieopbrengst nog niet helemaal bevredigend. Het rendement kan worden verhoogd door gebruik te maken van tandemzonnecellen, waar de kleurstofgevoelige zonnecellen op elkaar worden gestapeld.

De manier waarop de kleurstof, die zonlicht absorbeert, is verankerd aan de halfgeleider speelt een cruciale rol in de effectiviteit van deze zonnecellen. Echter, de verankering van de kleurstoffen op nikkeloxide-oppervlakken - die bijzonder geschikt zijn voor tandemkleurstofgevoelige cellen - is nog niet voldoende begrepen.

Bindend op oppervlakken

In de loop van een interdisciplinaire samenwerking, wetenschappers van het Zwitserse Nanoscience Institute en de departementen Natuurkunde en Scheikunde van de Universiteit van Basel onderzochten hoe enkele bipyridinemoleculen binden aan nikkeloxide- en goudoppervlakken.

Bipyridinekristallen dienden als een ankermolecuul voor kleurstofgevoelige cellen op een halfgeleideroppervlak. Dit anker bindt de metaalcomplexen, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om de verschillende kleurstoffen te binden.

Met behulp van scanning probe microscopen, het onderzoek wees uit dat aanvankelijk de bipyridine-moleculen in hun trans-configuratie plat aan het oppervlak binden. De toevoeging van ijzeratomen en een temperatuurstijging veroorzaken een rotatie rond een koolstofatoom in het bipyridinemolecuul en leiden zo tot de vorming van de cis-configuratie.

"De chemische samenstelling van de cis- en trans-configuratie is hetzelfde, maar hun ruimtelijke ordening is heel anders. "De verandering in configuratie is duidelijk te onderscheiden op basis van scanning probe-microscoopmetingen, " bevestigt experimenteel natuurkundige professor Ernst Meyer.

Metaalcomplexen in een aangepaste configuratie

Deze verandering in ruimtelijke ordening is het resultaat van de vorming van een metaalcomplex, zoals bevestigd door de wetenschappers door hun onderzoek van de bipyridine op een gouden oppervlak.

Tijdens de voorbereiding van de kleurstofgevoelige zonnecellen, deze reacties vinden plaats in een oplossing. Echter, het onderzoek van individuele moleculen en hun gedrag is alleen mogelijk met behulp van scanning probe microscopen in vacuüm.

"Deze studie stelde ons in staat om voor het eerst te observeren hoe moleculen die stevig aan een oppervlak zijn gebonden, hun configuratie veranderen, " vat Meyer samen. "Dit stelt ons in staat om beter te begrijpen hoe ankermoleculen zich gedragen op nikkeloxide-oppervlakken."