Zonnecellen bieden de mogelijkheid om overvloedig te oogsten, hernieuwbare energie. Hoewel het licht met de hoogste energie voorkomt in het ultraviolette en zichtbare spectrum, de meeste zonne-energie zit in het infrarood. Er is een afweging in het oogsten van dit licht, zodat zonnecellen efficiënt zijn in het infrarood, maar veel van de beschikbare energie van de meer energetische fotonen in het zichtbare deel van het spectrum verspillen.

Wanneer een foton wordt geabsorbeerd, creëert het een enkele elektronische excitatie die vervolgens wordt gescheiden in een elektron en een positief geladen gat, ongeacht de lichtenergie. Een manier om de efficiëntie te verbeteren, is door de beschikbare energie van zichtbare fotonen in tweeën te splitsen, wat leidt tot een verdubbeling van de stroom in de zonnecel.

Onderzoekers in Cambridge en Bergen hebben het proces onderzocht waarbij de initiële elektronische excitatie kan worden gesplitst in een paar half-energie-excitaties. Dit kan gebeuren in bepaalde organische moleculen wanneer het kwantummechanische effect van elektronenspin de initiële spin-'singlet'-toestand instelt op het dubbele van de energie van de alternatieve spin-'triplet'-opstelling.

De studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie , toont aan dat dit proces van singlet-splitsing tot paren van tripletten zeer gevoelig afhangt van de interacties tussen moleculen. Door dit proces te bestuderen wanneer de moleculen in oplossing zijn, is het mogelijk om te controleren wanneer dit proces wordt ingeschakeld.

Wanneer het materiaal erg verdund is, de afstand tussen moleculen is groot en singlet-splijting treedt niet op. Wanneer de oplossing geconcentreerd is, botsingen tussen moleculen komen vaker voor. De onderzoekers ontdekken dat het splijtingsproces plaatsvindt zodra slechts twee van deze moleculen in contact zijn, en opmerkelijk, die singlet-splijting is dan volledig efficiënt - zodat elk foton twee tripletten produceert.

Deze fundamentele studie geeft nieuwe inzichten in het proces van singlet-splijting en toont aan dat het gebruik van singlet-splijting een veelbelovende weg is naar verbeterde zonnecellen. Chemici kunnen de resultaten gebruiken om nieuwe materialen te maken, zegt het team van Cambridge's Cavendish Laboratory, die momenteel werken aan manieren om deze oplossingen in apparaten te gebruiken.

"We begonnen door terug te gaan naar de basis; kijkend naar de zonne-energie-uitdaging vanuit een blauwe luchtperspectief, " zei dr. Brian Walker, een onderzoeker in de Optoelectronics-groep van het Cavendish Lab, die de studie leidde.

"Singlet-splijting biedt een manier om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen met behulp van goedkope materialen. We beginnen pas te begrijpen hoe dit proces werkt, en naarmate we meer leren, verwachten we dat verbeteringen in de technologie zullen volgen."

Het team gebruikte een combinatie van laserexperimenten - die timings met extreme nauwkeurigheid meten - met chemische methoden die werden gebruikt om reactiemechanismen te bestuderen. Deze dubbele benadering stelde de onderzoekers in staat om splijting te vertragen en een belangrijke tussenstap te observeren die nog nooit eerder was gezien.

"Zeer weinig andere groepen in de wereld hebben laserapparatuur die zo veelzijdig is als de onze in Cambridge, " voegde Andrew Musser toe, een onderzoeker die meewerkte aan het onderzoek. "Dit stelde ons in staat om een ​​stap dichter bij het precies uit te zoeken hoe singlet-splijting plaatsvindt."