In het draaien en draaien van lange organische moleculen, Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) hebben een veelbelovende groep materialen gevonden voor de superefficiënte zonnecellen van morgen.

In een nieuw artikel in Nature Chemistry, NREL-onderzoekers hebben aangetoond hoe een zorgvuldig ontworpen molecuul de energie die door één foton wordt afgegeven efficiënt kan splitsen in twee aangeslagen toestanden en deze gedurende enkele microseconden gescheiden kan houden - een lange tijd op moleculaire schaal. De drie auteurs:Nadia Korovina, Chris Chang, en Justin Johnson - maakten gebruik van hun uiteenlopende expertise in chemie en computermodellering om dit nieuwe molecuul te ontwerpen en te leren hoe het functioneert.

Wanneer een foton een geschikt halfgeleidermateriaal raakt, het creëert een exciton - een opgewonden energietoestand. In sommige organische moleculen, het exciton kan splitsen, vormen twee triplet-excitonen. Dit proces van "singlet-splijting" zou mogelijk kunnen worden gebruikt om meer energie uit elk geabsorbeerd foton te halen dan in een traditionele zonnecel. Echter, als deze twee drielingen elkaar ontmoeten, ze zullen opnieuw combineren en ophouden te bestaan. Aanvullend, het proces waarbij een singlet in twee stabiele tripletten splitst, kan vaak wat energie verliezen aan warmte.

Een ideaal organisch fotovoltaïsch molecuul zou beide problemen aanpakken, wat betekent dat het singlet-excitonen efficiënt omzet in tripletten zonder warmteverlies en die tripletten gescheiden houdt, zodat ze niet kunnen recombineren. In plaats van naar zo'n molecuul te zoeken, het NREL-team besloot om hun eigen te ontwerpen. Op basis van eerder onderzoek, het team wist in het algemeen welke soorten organische moleculen veelbelovend waren. Maar ze moesten precies bepalen hoe lang en complex deze moleculen zouden moeten zijn om triplet-recombinatie te voorkomen.

Met dat doel voor ogen, Korovina synthetiseerde een reeks moleculen van verschillende lengte, allemaal opgebouwd uit ketens van chromoforen - lichtabsorberende moleculaire bouwstenen.

"Het moeilijkste deel was het ontwerpen van moleculen waarin de fijne balans van singlet- en triplet-energieën werd bereikt, " zei Korovina. "Na ongeveer een jaar van vallen en opstaan, we hadden de juiste moleculen waaruit we de fijne kneepjes van het singlet-splijtingsproces konden leren."

Na het zorgvuldig sorteren van deze moleculen op grootte, het team ontdekte dat een keten van ten minste drie chromoforen nodig is om met succes twee triplet-excitons te isoleren.

Om erachter te komen hoe de keten van chromoforen de twee drieling precies isoleerde, Johnson en Korovina wendden zich tot Chang, een computationele wetenschapper met een achtergrond in de biochemie. "Ik zie modellenwerk als het helpen beantwoorden van twee grote vragen, " Chang zei. "Hoe werkt het op basis van onderliggende principes? En hoe ziet het eruit als het dat doet?"

Door een model te maken en vervolgens te verfijnen van hoe de moleculen bewegen en op elkaar inwerken, het team ontdekte dat een draaiende beweging de moleculen de eigenschappen geeft die nodig zijn om de drieling te isoleren. De moleculaire keten is meestal slap en flexibel als hij niet wordt belicht; maar wanneer het een foton absorbeert, de ketting draait rond zijn centrale as en verstijft aanvankelijk, wat resulteert in een vorm die de vorming van twee drielingen vergemakkelijkt. De daaropvolgende verdraaiing die optreedt nadat het eerste proces is voltooid, helpt om de twee tripletten ruimtelijk te scheiden, hun levensduur verlengen.

Door experimentele en modelleringsbenaderingen te combineren, het team was niet alleen in staat om een ​​veelbelovend energieabsorberend molecuul te ontwikkelen, maar ook om de functie in detail uit te leggen. Nu het fundamentele mechanisme goed wordt begrepen, toekomstige ontwikkeling en gebruik van vergelijkbare moleculen in hoogrenderende zonnecellen of andere foto-elektrochemische systemen zou eenvoudiger moeten zijn.

"Nieuwe ontdekkingen zoals deze zijn mogelijk zonder disciplines te kruisen, "Johnson zei, "maar het combineren van expertise zoals wij deden, kan een veel grotere impact opleveren."