(PhysOrg.com) -- In een stap naar de ontwikkeling van steeds kleinere elektronische apparaten, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben deeltjesparen op nanoschaal samengesteld die veelbelovend zijn als geminiaturiseerde energiebronnen. Samengesteld uit lichtabsorberende, colloïdale kwantumstippen gekoppeld aan op koolstof gebaseerde fullereen nanodeeltjes, deze kleine tweedeeltjessystemen kunnen op een nauwkeurig gecontroleerde manier licht omzetten in elektriciteit.

"Dit is de eerste demonstratie van een hybride anorganisch/organisch, dimeer (twee deeltjes) materiaal dat fungeert als een elektronendonor-brug-acceptorsysteem voor het omzetten van licht in elektrische stroom, " zei Brookhaven fysisch chemicus Mircea Cotlet, hoofdauteur van een paper waarin de dimeren en hun assemblagemethode worden beschreven in Angewandte Chemie .

Door de lengte van de linkermoleculen en de grootte van de kwantumstippen te variëren, de wetenschappers kunnen de snelheid en de grootte van fluctuaties in door licht geïnduceerde elektronenoverdracht op het niveau van het individuele dimeer regelen. "Deze regeling maakt deze dimeren veelbelovende energieopwekkende eenheden voor moleculaire elektronica of efficiëntere fotovoltaïsche zonnecellen, " zei Cotlet, die dit onderzoek deed met materiaalwetenschapper Zhihua Xu bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials.

Wetenschappers die moleculaire elektronica willen ontwikkelen, zijn zeer geïnteresseerd in organische donor-brug-acceptorsystemen omdat ze een breed scala aan ladingstransportmechanismen hebben en omdat hun ladingsoverdrachtseigenschappen kunnen worden gecontroleerd door hun chemie te variëren. Onlangs, quantum dots zijn gecombineerd met elektronen-accepterende materialen zoals kleurstoffen, fullerenen, en titaniumoxide om kleurstofgevoelige en hybride zonnecellen te produceren in de hoop dat de lichtabsorberende en grootteafhankelijke emissie-eigenschappen van kwantumstippen de efficiëntie van dergelijke apparaten zouden verhogen. Maar tot nu toe, de stroomconversieratio's van deze systemen zijn vrij laag gebleven.

"Inspanningen om de betrokken processen te begrijpen om verbeterde systemen te ontwikkelen, hebben over het algemeen gekeken naar gemiddeld gedrag in gemengde of laag-voor-laagstructuren in plaats van naar de reactie van individuele, goed gecontroleerde hybride donor-acceptor-architecturen, " zei Xu.

De precisiefabricagemethode die door de Brookhaven-wetenschappers is ontwikkeld, stelt hen in staat om de deeltjesgrootte en de afstand tussen de deeltjes zorgvuldig te regelen, zodat ze de omstandigheden voor door licht geïnduceerde elektronenoverdracht tussen individuele kwantumdots en elektronenaccepterende fullerenen op het niveau van één molecuul kunnen onderzoeken.

Het hele assemblageproces vindt plaats op een oppervlak en in een stapsgewijze manier om de interacties van de componenten (deeltjes) te beperken, die anders op een aantal manieren kunnen worden gecombineerd als ze worden samengesteld door op oplossingen gebaseerde methoden. Deze op het oppervlak gebaseerde montage zorgt ook voor gecontroleerde, een-op-een nanodeeltjes paring.

Om de optimale architecturale opstelling voor de deeltjes te identificeren, de wetenschappers varieerden strategisch de grootte van de kwantumstippen - die licht absorberen en uitzenden op verschillende frequenties afhankelijk van hun grootte - en de lengte van de brugmoleculen die de nanodeeltjes verbinden. Voor elke regeling ze maten de elektronenoverdrachtssnelheid met behulp van spectroscopie met één molecuul.

"Deze methode verwijdert ensemblemiddeling en onthult de heterogeniteit van een systeem - bijvoorbeeld fluctuerende elektronenoverdrachtsnelheden - wat iets is dat conventionele spectroscopische methoden niet altijd kunnen doen, ' zei Colet.

De wetenschappers ontdekten dat het verminderen van de kwantumdotgrootte en de lengte van de linkermoleculen leidde tot verbeteringen in de elektronenoverdrachtsnelheid en onderdrukking van fluctuaties in de elektronenoverdracht.

"Deze onderdrukking van fluctuatie in elektronenoverdracht in dimeren met een kleinere kwantumpuntgrootte leidt tot een stabiele ladingsgeneratiesnelheid, die een positieve invloed kunnen hebben op de toepassing van deze dimeren in moleculaire elektronica, inclusief mogelijk in miniatuur en grote fotovoltaïsche installaties, ' zei Colet.

"Het bestuderen van de ladingsscheidings- en recombinatieprocessen in deze vereenvoudigde en goed gecontroleerde dimeerstructuren helpt ons de meer gecompliceerde foton-naar-elektron-conversieprocessen in zonnecellen met een groot oppervlak te begrijpen, en uiteindelijk hun fotovoltaïsche efficiëntie te verbeteren, " voegde Xu toe.

Er is een Amerikaanse octrooiaanvraag in behandeling voor de methode en de materialen die het resultaat zijn van het gebruik van de techniek, en de technologie is beschikbaar voor licentieverlening.