Wetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) werken momenteel aan een gezamenlijk onderzoeksproject om meer elektriciteit uit zonnecellen op te wekken en doen verder onderzoek naar de zogenaamde singlet-splijting met het Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center, Amerikaanse singlet-splijting zou de efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk kunnen verhogen, en dankzij het laatste onderzoek, het is een stap dichter bij mogelijk worden. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Chemo .

Het wereldwijde energieverbruik is gestegen, en de opwaartse trend zal zich de komende jaren voortzetten. Om aan de vraag te voldoen en tegelijkertijd het milieu te beschermen, elektriciteit uit zonne-energie, wind, water- en biomassabronnen winnen aan belang. Echter, slechts ongeveer 6 procent van de bruto-elektriciteit die in 2017 in Duitsland werd geproduceerd, was afkomstig van fotovoltaïsche systemen, en de op silicium gebaseerde technologie die momenteel beschikbaar is, bereikt snel zijn grenzen in termen van potentieel.

Zonnecellen zijn uiterst inefficiënt in het omzetten van zonne-energie in elektriciteit. Hun efficiëntie is momenteel slechts 20 tot 25 procent. Er zijn nieuwe benaderingen nodig om de prestaties van zonnecellen aanzienlijk te verhogen en meer elektriciteit op te wekken. Het antwoord kan worden gevonden in fysisch-chemische processen die de efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk verhogen. Wetenschappers van de FAU en het ANSER-centrum hebben een veelbelovende aanpak onderzocht als onderdeel van hun gezamenlijke onderzoeksproject. De onderzoekers onderzochten het zogenaamde singlet fission (SF) mechanisme, waarbij één foton twee elektronen opwekt.

Het principe van singlet-splijting werd ongeveer 50 jaar geleden ontdekt, maar het potentieel voor het aanzienlijk verhogen van de efficiëntie van organische zonnecellen werd pas ongeveer 10 jaar geleden door wetenschappers in de VS erkend. Vanaf dat moment, onderzoekers over de hele wereld hebben gewerkt aan het verkrijgen van een meer gedetailleerd begrip van de fundamentele processen en complexe mechanismen erachter. Samen met Prof. Michael Wasielewski van het ANSER Center, de onderzoekers van de FAU zijn er nu in geslaagd om enkele buitengewoon belangrijke aspecten van SF op te helderen.

Wanneer een foton van zonlicht een molecuul ontmoet en wordt geabsorbeerd, het energieniveau van een van de elektronen in het molecuul wordt verhoogd. Door een foton te absorberen, een organisch molecuul wordt daarbij omgezet in een toestand van hogere energie. Uit deze energie kan vervolgens binnen zonnecellen elektriciteit worden opgewekt, die tijdelijk in het molecuul wordt opgeslagen. Het optimale scenario in conventionele zonnecellen is dat elk foton één elektron genereert als drager voor de elektriciteit. Indien, echter, dimeren van geselecteerde chemische verbindingen worden gebruikt, twee elektronen van naburige moleculen kunnen worden omgezet in een toestand van hogere energie. In totaal, één foton genereert twee aangeslagen elektronen, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om elektrische stroom te produceren - twee zijn gemaakt van één. Dit proces staat bekend als enkele splitsing, en in het ideale scenario kunnen de prestaties van zonnecellen aanzienlijk verhogen. Chemici en natuurkundigen van de FAU en het ANSER Center hebben het onderliggende mechanisme in meer detail onderzocht, wat leidt tot een aanzienlijk uitgebreider begrip van het SF-proces.

Als eerste stap in hun onderzoek, de wetenschappers produceerden een moleculair dimeer uit twee pentaceen-eenheden. Deze koolwaterstof wordt beschouwd als een veelbelovende kandidaat voor het gebruik van singlet-splijting in zonnecellen. Vervolgens stelden ze de vloeistof bloot aan licht en gebruikten ze verschillende spectroscopische methoden om de fotofysische processen in het molecuul te onderzoeken.

Dit gaf de onderzoekers drie verregaande inzichten in het mechanisme achter intramoleculaire singlet-splitsing. Ten eerste, ze zijn erin geslaagd te bewijzen dat koppeling met een hogere ladingsoverdrachtstoestand essentieel is voor zeer efficiënte SF. Ten tweede, ze hebben een model voor singlet-splijting geverifieerd dat ze onlangs hebben gemaakt en gepubliceerd. Ten derde (en als laatste), ze bewezen dat SF-efficiëntie duidelijk correleert met hoe sterk de twee pentaceen-subeenheden zijn gekoppeld.

De bevindingen wijzen op het belang van een zorgvuldige planning van het ontwerp van SF-materialen. Dit is een belangrijke mijlpaal op weg naar het gebruik van op SF gebaseerde fotovoltaïsche systemen om elektriciteit op te wekken. Verder fundamenteel onderzoek is nog nodig, echter.