Apparaten van de volgende generatie op basis van moleculaire materialen hebben het potentieel om zonlicht efficiënt te gebruiken om elektriciteit te produceren of om chemische reacties aan te sturen. In tegenstelling tot commerciële zonnecellen, waar absorptie van licht direct lading genereert die als elektriciteit kan worden geëxtraheerd, absorptie van licht door moleculaire materialen creëert ongeladen energetische toestanden die excitonen worden genoemd. De truc om een ​​effectief apparaat te maken is om de excitonen efficiënt om te zetten in lading. Deze studie onthulde een nieuw mechanisme om lading te creëren uit excitonen. Door excitonen te volgen in een moleculair modelmateriaal, een team ontdekte dat excitonen met een lagere energie die diep in de bulk zijn gemaakt, een grotere rol spelen bij het genereren van lading dan eerder werd gedacht.

De studie van het team toont aan dat een voorheen verwaarloosde, langzamer pad creëert het grootste deel van de lading op de interface. Dit inzicht toont een pad dat wetenschappers moeten overwegen bij het ontwerpen van moleculaire elektronica. De studie biedt ook absolute benchmarkwaarden voor het ontwerp van gespecialiseerde interfaces die licht efficiënt omzetten in lading.

Om moleculaire zonnecellen te ontwerpen, sensoren, enzovoort., onderzoekers moeten weten hoe licht op atomaire schaal elektriciteit opwekt. Dit is niet eenvoudig omdat de processen in een biljoenste van een seconde (picoseconde) kunnen plaatsvinden. Onderzoekers hebben een manier gevonden, met behulp van picoseconde tijdsopgeloste röntgenfoto-elektronenspectroscopie en een modelmateriaal gemaakt van een op koper gebaseerde elektronendonor en een koolstofacceptor. specifiek, ze keken naar metaal-organische heterojuncties in een koper-ftalocyanine (CuPc) donor en fullereen-gebaseerde (C60) acceptor. Met de methode kunnen wetenschappers bestuderen hoe excitonen door het materiaal migreren en dissociëren in gescheiden ladingen die nuttig zijn voor elektronische of chemische toepassingen. Hun resultaten veranderden hoe wetenschappers denken over energie in dit materiaal. De vorige visie was gericht op de hogere energie-excitonen, bekend als singlet-excitonen, die direct door het licht worden opgewekt. Onderzoekers dachten dat de singlet-excitonen die werden gecreëerd waar de donor- en acceptormaterialen elkaar ontmoeten, de meeste elektriciteit opwekten. Niet zo. Langzamer vormen, triplet-excitonen met lagere energie die zich in het grootste deel van het op koper gebaseerde materiaal vormen, dragen het grootste deel van de lading bij op een tijdgemiddelde basis.

De studie biedt nieuwe inzichten in de migratie van excitonen en het genereren van lading in deze materialen. Ook, het biedt absolute referentiewaarden voor het ontwerp van CuPc-C ₆₀ heterojuncties voor efficiënte licht-naar-lading conversie.