Er is vaak gezegd dat zonnecellen als kunstmatige versies zijn van de fotosynthetische apparaten die in planten worden aangetroffen, zoals bladeren, omdat beide zonlicht oogsten. Maar de bladeren van de natuur kunnen iets doen wat de meeste zonnecellen niet kunnen:zichzelf beschermen tegen fotochemische schade door overmatige blootstelling aan zonlicht.

In een poging om apparaten voor het oogsten van kunstlicht te beschermen tegen schade door de zon, scheikundigen hebben een trechtervormige array op moleculaire schaal ontworpen die fotonen oogst, verspreidt de energie rond de array, en ontlaadt de energie in een relatief langzaam tempo naar een zonnecel of ander apparaat. Door de hoeveelheid energie die de zonnecel binnenkomt te regelen, de nieuwe reeks zou de levensduur van de zonnecel kunnen verlengen, die moet functioneren in zware omstandigheden die gepaard gaan met langdurige blootstelling aan zonlicht.

De onderzoekers, Raymond Ziessel, Gilles Ulrich, en Alexandre Haefele aan de Universiteit van Straatsburg in Frankrijk, samen met Anthony Harriman aan de Universiteit van Newcastle in het VK, hebben hun paper over hun kunstlicht-oogst-array gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"UV-licht is schadelijk voor de cellen en voor de draagstructuur, "Harriman vertelde" Phys.org . "Fotonen gaan verloren door vernietiging, en optimale prestaties vereisen een gestage stroom van fotonen. Dit is nog belangrijker voor watersplitsende apparaten, dat is waar we zien dat onze lichte oogstmachine echte toepassingen heeft."

De nieuwe reeks bestaat uit 21 Bodipy ("boron-dipyrrometheen") kleurstoffen, dit zijn zeer fluorescerende kleurstoffen die bekend staan ​​om hun goede lichtabsorptie en emissie. De Bodipy-kleurstoffen zijn gerangschikt in een trechterachtig ontwerp dat samenkomt in een brandpunt. Bij blootstelling aan licht, de array leidt de excitatie-energie van invallende fotonen door de trechter door een reeks trapsgewijze energieoverdrachtsstappen totdat de energie het brandpunt bereikt.

Het belangrijkste kenmerk van het ontwerp is het vermogen om zijn energie zelf te reguleren. Wanneer het brandpunt zich in een aangeslagen toestand bevindt, verdere energieoverdracht naar het brandpunt wordt beperkt. Om de hoeveelheid energie die het brandpunt bereikt te vergroten, de topologie van de array biedt verschillende reisroutes voor de energie om verschillende aankomsttijden te garanderen. De strategie houdt in dat overtollige energie binnen de array wordt herverdeeld totdat het brandpunt niet langer 'verzadigd' is.

Dit beschermingsmechanisme tegen overmatige blootstelling aan zonlicht is niet strikt gebaseerd op de mechanismen die planten gebruiken. In de natuur, hiervoor zijn verschillende mechanismen ontwikkeld, hoewel de details van deze mechanismen nog steeds onderwerp van actieve discussie zijn.

Hoewel de eigenschappen van de nieuwe array intrigerend zijn, de wetenschappers voegen eraan toe dat de eigenlijke synthese ook state-of-the-art is. Het gebruik van Bodipy-kleurstoffen als bouwstenen geeft zekerheid over de opkomende structuur, in tegenstelling tot bij het gebruik van andere moleculen, zoals dendrimeren, waar het moeilijk is om volledige groei met elke laag te verzekeren.

In de toekomst, de trechter op moleculaire schaal zou zonnecellen kunnen beschermen door als sensibilisator te fungeren; dat is, energie op een gecontroleerde manier overbrengen naar de zonnecellen of andere externe apparaten. De array biedt ook een voordeel in stabiliteit vergeleken met het gebruik van een mengsel van verbindingen. En hoewel de array de energieoverdracht beperkt, het vermindert de efficiëntie van de zonnecel niet.

"Momenteel, de beperkende efficiëntie is het aan elkaar koppelen van de twee systemen, ' zei Harriman. 'In principe, er mag geen vermindering van efficiëntie zijn. Het echte voordeel zal komen van het gebruik van een collector met een groot oppervlak en een zonnecel met een klein oppervlak."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de overdracht van fotonen van de array naar de zonnecel te verbeteren.

"We proberen systemen te bouwen waarbij de fotonen gemakkelijk van cluster naar cluster bewegen voordat ze door de zonnecel worden gevangen, "Zei Harriman. "Ook, we zoeken naar manieren om de fotonen naar de zonnecel te duwen, in plaats van te vertrouwen op willekeurige migraties. Dit soort kwantumcoherentie kan in bepaalde gevallen in de natuur belangrijk zijn, maar gaat de huidige mogelijkheden van kunstmatige systemen ver te boven. We hebben ideeën over hoe we kunnen verbeteren en we voorzien snelle vooruitgang op dit gebied."

© 2013 Phys.org. Alle rechten voorbehouden.