Het creëren van de volgende generatie zonnecellen en sensoren vereist een nauwkeurige kijk op hoe licht interageert met lichtgevoelige materialen. Onderzoek aan het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) bevordert dit inzicht in de richting van een toekomst met flexibele, zeer efficiënte zonnecellen en geavanceerde optische hulpmiddelen.

Om nieuwe technologieën te ontwerpen die licht benutten met behulp van organische materialen, wetenschappers onderzoeken de fundamentele moleculaire functies die in het spel zijn. Bijvoorbeeld, het gebruik van speciaal ontworpen op koolstof gebaseerde componenten zou flexibele, dunne film zonnecellen, of fotovoltaïsche. Dit soort materiaal kan alles mogelijk maken, van getinte ruiten voor stroomopwekking tot draagbare opladers, zonne-energie uitbreiden tot ver buiten de traditionele, dakpanelen op siliconenbasis. Echter, er moet nog veel worden ontdekt over welke bouwstenen voor deze organische fotovoltaïsche energie een hoog rendement zullen opleveren, duurzaamheid en lage kosten.

"In sommige opzichten, fotovoltaïsche zonne-energie is net als de vroege auto-industrie, " zei Richard Schaller, een fysisch chemicus bij Argonne en professor aan de Northwestern University. "Een dozijn of meer verschillende benaderingen van techniek en materialen zijn allemaal gericht op het gebruik van zonne-energie, maar ze richten zich op meerdere geïdentificeerde markten, en inspelen op verschillende kosten- en prestatiefactoren."

Dergelijke materialen overspannen dik, zeer zuivere kristallijne anorganische stoffen zoals silicium tot goedkope, veel dunnere organische kunststoffen en kleine moleculen die minder initiële energie-input nodig hebben om te fabriceren.

Het hart van organische zonnecellen bestaat uit afzonderlijke gebieden die bekend staan ​​als elektronendonoren en elektronenacceptoren. Wanneer fotonen van zonlicht deze gebieden raken, de fotonen zetten energie af in negatief geladen elektronen, die worden geëxciteerd en produceren positief geladen gaten waar de elektronen waren. Deze elektron-gatparen kleven aan elkaar vanwege hun tegengestelde lading en worden excitonen genoemd. Wanneer excitonen de interface tussen donor en acceptor ontmoeten, ze kunnen splitsen, het vergemakkelijken van de afzonderlijke overdracht van elektronen die naar de ene elektrode bewegen en gaten naar de andere, het genereren van een stroom.

bolvormig, holle koolstofmoleculen die bekend staan ​​als fullerenen, maken grote acceptoren in een cel, maar fullerenen hebben nadelen, zei Lin Chen, een Distinguished Fellow bij Argonne en professor scheikunde aan de Northwestern University.

"Fullereen is moeilijk te synthetiseren, en duurder in gewicht dan goud, " zei ze. "Het is een voortdurend proces geweest om niet-fullereenacceptors te vinden die kosteneffectief en robuust zijn voor duurzame organische zonnecellen."

Chen, Schaller en collega's bestuderen perylenediimide (PDI) derivaten, die potentiële alternatieven zijn voor fullerenen op basis van een klasse goedkope pigmenten. In een recente studie, de onderzoekers onderzochten zes variaties van PDI's gesynthetiseerd door Luping Yu, een studie co-auteur en hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Chicago, en zijn collega's. Het doel was om te zien hoe veranderingen in de moleculaire structuur de lichtconversie-efficiëntie van de PDI's beïnvloedden.

Deze PDI-moleculen zijn aan elkaar gekoppeld in paren die dimeren worden genoemd om hun elektronische communicatie met donormaterialen te verbeteren. De studie vergeleek de activiteiten tussen deze dimeren met linkers van verschillende lengte en stijfheid. Het onderzoek, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Chemische Wetenschappen in juni, 2020, combineerde experimentele en theoretische expertise van de medewerkers om de meest uitgebreide karakterisering tot nu toe van verschillende PDI-structuren voor fotovoltaïsche energie samen te stellen.

Aan de experimentele kant, onderzoekers onderzochten de dimeren met ultrasnelle emissie- en transiënte absorptiespectroscopie om in realtime de dynamiek van excitongeneratie te meten, evolutie en verval. Deze optische studies, die helpen om de activiteit van excitonen nauwkeurig te volgen door verschillende lichtspectra op te nemen terwijl de fotonen worden geabsorbeerd of uitgezonden door het materiaal, werden uitgevoerd bij Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

De tijdsopgeloste lichtmetingen werden gevalideerd via uitgebreide berekeningen door George Schatz, studeer co-auteur en hoogleraar scheikunde aan de Northwestern University, die samen met collega's de structurele afhankelijkheid van energieniveaus in deze moleculen onderzocht, zoals hoe de linker tussen twee PDI's de dichtheid van de elektronenstroom daartussen wijzigt.

In een aparte studie, Chen, Schaller en collega's evalueerden de excitonactiviteit van geassembleerde moleculen die bekend staan ​​​​als tweedimensionale covalente organische raamwerken, of 2D COF's, ontworpen door studie co-auteur William Dichtel en collega's aan de Northwestern University. COF's hebben potentieel voor gebruik in lichtemitterende diodes, chemische sensoren en fotovoltaïsche cellen - hun geometrische precisie leent zich voor efficiënt energietransport. Maar er is weinig bekend over hoe elektronen zich daadwerkelijk gedragen in deze opkomende materialen.

2D COF's lijken op sneeuwvlokken die kunnen worden gestapeld of gekoppeld om een ​​elektronentransporterend netwerk te creëren. Als ze samenkomen, hun eigenschappen veranderen, en de onderzoekers wilden weten waarom. Ze inspecteerden deze kristallijne structuren, opnieuw met behulp van transiënte absorptiespectroscopie aan de Northwestern University en de CNM en ook de DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) bundellijn bij de Advanced Photon Source, een DOE Office of Science User Facility in Argonne.

Poeder verstrooit licht zodanig dat het moeilijk te karakteriseren is met spectroscopie. Om dit probleem te omzeilen, de onderzoekers creëerden een colloïdale oplossing van COF's, waardoor fotofysische karakterisering mogelijk zou zijn die anders niet mogelijk zou zijn geweest.

"Colloïdale COF's bevinden zich in een vrij vroeg stadium, "Zei Schaller. "In het verleden, ze zijn alleen gemaakt als vaste poeders, en dus was zelfs het bestuderen van hun eigendommen een uitdaging die William Dichtel heeft weten open te breken."

Spectroscopie werd gebruikt om de elektronenactiviteit te meten, terwijl de DND-CAT-bundellijn hielp bij het meten van de grootte en moleculaire pakking van het kristallijne domein van de COF's.

"We ontdekten een zeer hoge mobiliteit van excitonen in de 2D COF's, wat onverwacht was, " zei Chen. "De bevindingen versterken de belofte van deze structuren voor potentiële opto-elektronische toepassingen."

De resultaten van het team worden gedetailleerd beschreven in het artikel "Grote exciton-diffusiecoëfficiënten in tweedimensionale covalente organische raamwerken met verschillende domeingroottes onthuld door ultrasnelle excitondynamica, " die afgelopen juli werd gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .