Een materiaal op zonne-energie dat opmerkelijk duurzaam en betaalbaar is, is helaas ook onbruikbaar als het nauwelijks elektriciteit opwekt, dus veel onderzoekers hadden opkomende organische zonne-technologieën verlaten. Maar de laatste tijd, een verschuiving in de onderliggende chemie heeft het vermogen verhoogd, en een nieuwe studie heeft contra-intuïtieve tweaks onthuld die de nieuwe chemie succesvol maken.

De verschuiving is van "fullereen" naar "niet-fullereenacceptors" (NFA's), onderstaande voorwaarden, en bij de opwekking van fotovoltaïsche elektriciteit, de acceptor is een molecuul met het potentieel om voor elektronen te zijn wat een vanger is voor een honkbal. Overeenkomstige donormoleculen "pitchen" elektronen naar acceptor "catchers" om elektrische stroom te creëren. De veel geciteerde chemicus Jean-Luc Brédas van het Georgia Institute of Technology heeft de technologie verder ontwikkeld en leidde ook de nieuwe studie.

"NFA's zijn complexe beesten en doen dingen die de huidige silicium-zonnetechnologie niet doet. Je kunt ze vormen, maak ze semi-transparant of gekleurd. Maar hun grote potentieel ligt in de mogelijkheid om te verfijnen hoe ze elektronen vrijmaken en verplaatsen om elektriciteit op te wekken, " zei Breda, een Regents Professor in Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry.

Op silicium winnen

Alleen in de afgelopen vier jaar, tuning NFA-chemie heeft de organische fotovoltaïsche technologie een boost gegeven van aanvankelijk slechts 1% van het zonlicht in elektriciteit om te zetten tot 18% conversie in recente experimenten. Ter vergelijking, hoogwaardige siliciumzonnemodules die al op de markt zijn, converteren ongeveer 20%.

"De theorie zegt dat we een conversie van meer dan 25% zouden moeten kunnen bereiken met organische op NFA gebaseerde zonne-energie als we energieverlies kunnen beheersen door middel van de morfologie, " zei Tonghui Wang, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Brédas en eerste auteur van de studie.

Morfologie, de vormen die moleculen in een materiaal aannemen, is de sleutel tot de verhoogde efficiëntie van NFA-zonnetechnologie, maar hoe dat op moleculair niveau werkt, was een mysterie. De nieuwe studie modelleerde zorgvuldig kleine aanpassingen aan moleculaire vormen en berekende de bijbehorende energieconversie in een gemeenschappelijke NFA-elektronendonor / -acceptor-koppeling.

Verbeterde prestaties kwamen niet van aanpassingen aan de metaforische hand van de vanger of van de werphand van de donor, maar van iets dat lijkt op de positie van de voeten van de vanger. Sommige posities hebben het "lichaam" van de acceptor beter uitgelijnd met dat van de elektronendonor.

De "voeten" waren een klein onderdeel, een methoxygroep, op de acceptant, en twee van de vier mogelijke posities die het innam, verhoogde de omzetting van licht in elektriciteit van 6% naar 12%. Brédas en Wang publiceerden hun studie, Organische zonnecellen op basis van niet-fullereen kleine molecuul-acceptors:impact van plaatsvervangende positie , op 20 november, 2019, in het journaal Materie . Het onderzoek werd gefinancierd door het Office of Naval Research.

(Het donor/acceptor-chemische paar was PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, of -4, waarbij -2 en -3 superieure elektriciteitsopwekking laten zien. Zie het citaat onderaan voor een volledige chemische naam.)

Onhandige siliciumcellen

Verhandelbare op NFA gebaseerde zonnecellen kunnen veel voordelen hebben ten opzichte van silicium, waarvoor mijnbouw kwartsgrind nodig is, het smelten als ijzer, het zuiveren als staal, dan snijden en machinaal bewerken. Daarentegen, organische zonnecellen beginnen als goedkope oplosmiddelen die op oppervlakken kunnen worden geprint.

Siliciumcellen zijn meestal stijf en zwaar en verzwakken door hitte en lichte stress, overwegende dat op NFA gebaseerde zonnecellen licht zijn, flexibel, en stressbestendig. Ze hebben ook complexere foto-elektrische eigenschappen. In op NFA gebaseerde fotoactieve lagen, wanneer fotonen elektronen exciteren uit de buitenste banen van donormoleculen, de elektronen dansen rond de elektronengaten die ze hebben gecreëerd, ze in te stellen voor een aangepaste overdracht aan acceptanten.

"Silicium haalt een elektron uit zijn baan wanneer fotonen het voorbij een drempel exciteren. Het is aan of uit; je krijgt een geleidingselektron of geen geleidingselektron, " zei Breda, die ook Vasser Woolley Chair in Molecular Design is bij Georgia Tech. "NFA's zijn subtieler. Een elektronendonor reikt een elektron uit, en de elektronenacceptor trekt het weg. De mogelijkheid om de morfologie aan te passen maakt de elektronenoverdracht afstembaar."

Geen fullereen

Zoals de naam al zegt, niet-fullereenacceptoren zijn geen fullerenen, die zuivere koolstofmoleculen zijn met vrij uniforme en geometrische structuren van herhalende vijfhoekige of zeshoekige elementen. nanobuisjes, grafeen, en roet zijn voorbeelden van fullerenen, die zijn vernoemd naar architect Buckminster Fuller, die beroemd was vanwege het ontwerpen van geodetische koepels.

Fullerenen zijn meer geribbeld in moleculaire structuur en afstembaarheid dan niet-fullerenen, die vrijer zijn ontworpen om floppy en buigbaar te zijn. NFA-gebaseerde donoren en acceptanten kunnen om elkaar heen wikkelen als precieze wervelingen van chocolade- en vanillebeslag in een Bundt-cake, waardoor ze voordelen hebben die verder gaan dan het doneren en accepteren van elektronen, zoals een betere moleculaire verpakking in een materiaal.

"Een ander punt is hoe de acceptormoleculen met elkaar zijn verbonden, zodat het geaccepteerde elektron een geleidend pad naar een elektrode heeft, " zei Brédas. "En dat geldt voor de donateurs, te."

Zoals in elke zonnecel, geleidingselektronen hebben een uitweg nodig uit het fotovoltaïsche materiaal naar een elektrode, en er moet een retourpad zijn naar de tegenoverliggende elektrode voor aankomende elektronen om gaten te vullen die vertrekkende elektronen achterlieten.

Zeer impactvolle citaten

Brédas' lofbetuigingen zijn talrijk, maar hij heeft vooral aandacht gekregen voor zijn Google Scholar h-index score, een berekening van de impact van de publicaties van een onderzoeker. Breda's huidige score van 146 plaatst hem waarschijnlijk in de 700 meest impactvolle gepubliceerde onderzoekers in de moderne wereldgeschiedenis.

Hij is een bijzonder bekende leider in foto-elektrisch en halfgeleideronderzoek op basis van betaalbare en praktische organische chemie.