Een team van materiaalchemici, polymeer wetenschappers, apparaatfysici en anderen van de Universiteit van Massachusetts Amherst rapporteren vandaag een baanbrekende techniek voor het regelen van moleculaire assemblage van nanodeeltjes over meerdere lengteschalen die snellere, goedkoper, milieuvriendelijkere productie van organische fotovoltaïsche en andere elektronische apparaten. Details staan ​​in het huidige nummer van Nano-letters .

Hoofdonderzoeker, scheikundige Dhandapani Venkataraman, wijst erop dat de nieuwe technieken met succes twee belangrijke doelen voor de fabricage van apparaten aanpakken:het beheersen van moleculaire assemblage en het vermijden van giftige oplosmiddelen zoals chloorbenzeen. "Nu hebben we een rationele manier om deze assemblage in een op water gebaseerd systeem te besturen, "zegt hij. "Het is een compleet nieuwe manier om naar problemen te kijken. Met deze techniek kunnen we het in de exacte structuur forceren die je wilt."

Materiaalchemicus Paul Lahti, co-directeur met Thomas Russell van UMass Amherst's Energy Frontiers Research Center (EFRC), ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, zegt, "Een van de grote implicaties van dit werk is dat het veel verder gaat dan organische fotovoltaïsche of zonnecellen, waar dit voorschot nu wordt toegepast. Kijkend naar het grotere geheel, deze techniek biedt een veelbelovende, flexibele en milieuvriendelijke nieuwe benadering van het assembleren van materialen om apparaatstructuren te maken."

Lahti vergelijkt de vooruitgang van het UMass Amherst-team op het gebied van materiaalwetenschap met het soort voordelen dat de bouwsector zag met geprefabriceerde bouweenheden. "Deze strategie ligt precies in die algemene filosofische lijn, " zegt hij. "Onze groep ontdekte een manier om bolverpakking te gebruiken om allerlei materialen zich in een wateroplossing te laten gedragen voordat ze in dunne lagen op oppervlakken worden gespoten en tot een module worden samengevoegd. We zijn een aantal basisbouwstenen aan het preassembleren met een paar voorspelbare kenmerken, die vervolgens beschikbaar zijn om uw complexe apparaat te bouwen."

"Iemand moet het nog aansluiten en inrichten zoals ze willen, Lahti voegt eraan toe. "Het is nog niet af, maar veel onderdelen zijn voorgemonteerd. En u kunt kenmerken bestellen die u nodig heeft, bijvoorbeeld, een bepaalde richting of sterkte van de elektronenstroom. Alle modules kunnen worden afgestemd om op een bepaalde manier elektronenbeschikbaarheid te bieden. De beschikbaarheid kan worden aangepast, en we hebben laten zien dat het werkt."

De nieuwe methode zou de tijd moeten verminderen die nanofabrikanten besteden aan proefondervindelijke zoektochten naar materialen om elektronische apparaten zoals zonnecellen te maken, organische transistoren en organische lichtemitterende diodes. "De oude manier kan jaren duren, ' zegt Lahti.

"Een ander van onze belangrijkste doelstellingen is om iets te maken dat kan worden opgeschaald van nano- naar mesoschaal, en onze methode doet dat. Het is ook veel milieuvriendelijker omdat we water gebruiken in plaats van gevaarlijke oplosmiddelen in het proces, " hij voegt toe.

Voor fotovoltaïsche, Venkataraman wijst erop, "Het volgende ding is om apparaten te maken met andere polymeren die langskomen, om de efficiëntie van de energieconversie te verhogen en ze op flexibele substraten te maken. In dit artikel werkten we aan glas, maar we willen vertalen naar flexibele materialen en roll-to-roll gefabriceerde materialen met water produceren. We verwachten echt een veel grotere efficiëntie te krijgen." Hij suggereert dat het bereiken van een energieconversie-efficiëntie van 5 procent de investering voor het maken van kleine, flexibele zonnepanelen om apparaten zoals smartphones van stroom te voorzien.

Als de gemiddelde smartphone 5 watt aan stroom verbruikt en alle 307 miljoen gebruikers in de Verenigde Staten zijn overgestapt van batterijen naar flexibele zonne-energie, het zou meer dan 1500 megawatt per jaar kunnen besparen. "Dat is bijna de output van een kerncentrale, " Venkataraman zegt, "en het is dramatischer als je bedenkt dat kolencentrales 1 megawatt opwekken en er 2 vrijgeven, 250 pond. of carbon dioxide. So if a fraction of the 6.6 billion mobile phone users globally changed to solar, it would reduce our carbon footprint a lot."

Doctoral student and first author Tim Gehan says that organic solar cells made in this way can be semi-transparent, ook, "so you could replace tinted windows in a skyscraper and have them all producing electricity during the day when it's needed. And processing is much cheaper and cleaner with our cells than in traditional methods."

Venkataraman credits organic materials chemist Gehan, with postdoctoral fellow and device physicist Monojit Bag, with making "crucial observations" and using "persistent detective work" to get past various roadblocks in the experiments. "These two were outstanding in helping this story move ahead, " he notes. For their part, Gehan and Bag say they got critical help from the Amherst Fire Department, which loaned them an infrared camera to pinpoint some problem hot spots on a device.

It was Bag who put similar sized and charged nanoparticles together to form a building block, then used an artist's airbrush to spray layers of electrical circuits atop each other to create a solar-powered device. Hij zegt, "Here we pre-formed structures at nanoscale so they will form a known structure assembled at the meso scale, from which you can make a device. Voordat, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."