Onderzoekers van de Christian-Albrechts-Universiteit van Kiel (CAU), Duitsland, voor het eerst succesvol organisch tin geïntegreerd in halfgeleidende polymeren (kunststoffen). Halfgeleidende polymeren kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, voor de absorptie van zonlicht in zonnecellen. Door organisch tin in het plastic te verwerken, licht kan worden geabsorbeerd over een breed bereik van het zonnespectrum. Het nieuwe polymeer wordt geïntroduceerd door projectleider prof.dr. Anne Staubitz en promovendus Julian Linshöft in het gerenommeerde vakblad " Angewandte Chemie, Internationale editie."

In tegenstelling tot elektrische geleiders zoals metalen, halfgeleiders zijn materialen die alleen onder bepaalde omstandigheden elektriciteit geleiden, bijvoorbeeld onder bestraling met licht. Door deze eigenschap zijn halfgeleidende kunststoffen (ook wel halfgeleidende polymeren genoemd) veelbelovende materialen voor de nieuwste generatie zonnecellen:organische zonnecellen. Vergeleken met de klassieke anorganische varianten, hun fabricage kan goedkoper zijn en het zijn zeer lichtgewicht materialen, wat voor veel toepassingen voordelig kan zijn, bijvoorbeeld in de transportsector. "Echter, organische zonnecellen halen nog steeds niet hetzelfde rendement als anorganische zonnecellen op basis van silicium, zodat er een grote behoefte is aan onderzoek op dit gebied", Anne Staubitz van het Otto Diels-Instituut plaatst haar onderzoeksgebied in context.

Een belangrijk criterium van dergelijke halfgeleiders is hoe efficiënt ze zonlicht absorberen om het om te zetten in elektriciteit. Wanneer zonlicht wordt omgezet in elektriciteit, negatief geladen elektronen in de halfgeleider worden van het ene energieniveau naar een hoger energieniveau getild. Dit proces laat een positief geladen "gat" achter in het lagere energieniveau. Dan sijpelen de ladingen afzonderlijk naar de verschillende elektrische polen:er kan een stroom worden waargenomen. Zonlicht kan dit proces in gang zetten. Hoe dichter deze energieniveaus bij elkaar liggen, hoe eenvoudiger dit proces is:er kunnen meer fotonen worden geabsorbeerd en er kan dus meer zonne-energie worden gebruikt. polymeren, waarin deze kloof ("band gap") tussen de energieniveaus klein is, heb een rode, in zeldzame gevallen zelfs een paarse kleur.

Een doel van het onderzoek naar synthetische organische halfgeleiders is daarom om organische polymeren te produceren met kleine energiekloven (of bandgaten). Echter, de ontwikkeling van zulke sterk lichtabsorberende, diepgekleurde kunststoffen is erg moeilijk en daarom een ​​zeer actief gebied in het huidige onderzoek. "Met het nieuwe materiaal uit onze laboratoria, het is met het blote oog te zien dat we erin zijn geslaagd dergelijke kunststoffen te ontwikkelen!" zegt Staubitz. Het polymeer is dieppaars in oplossing en bijna zwart wanneer het tot een dunne film wordt verwerkt.

Om zeer kleine energieverschillen te bereiken, de wetenschappers uit Kiel gebruikten een nieuw concept. Ze namen organisch tin op in de vorm van cyclische moleculen ("stannolen") in de koolstof-polymeerruggengraat. Tin behoort tot dezelfde chemische groep als koolstof en is daarom vergelijkbaar in sommige eigenschappen. De elektronische eigenschappen tussen stannolen en de overeenkomstige koolstofcongeneren (cyclopentadienen) zijn echter zeer verschillend. "Tin is niet alleen een te zwaar koolstofatoom", Anne Staubitz legt uit. "Het kan de energetische niveaus in zijn organische verbindingen dramatisch verlagen." Maar tot nu toe, niemand was in staat om deze speciale eigenschappen van tin in polymere materialen te gebruiken.

Het aan elkaar koppelen van deze afzonderlijke moleculaire bouwstenen (de monomeren) was een lastige opgave voor de onderzoekers:de monomeren bevatten niet alleen het gewenste tin in de stannol-eenheden zelf; organisch tin was ook aanwezig in de reactieve koppelingsgroepen die nodig waren om de monomeren samen te voegen om het polymeer te vormen. Alleen deze groepen moesten reageren, terwijl de stannoleringen niet mogen worden aangetast. Dit was van levensbelang, omdat elke ongewenste nevenreactie zou leiden tot een significante verkorting van de polymeerketen, wat leidt tot een aanzienlijke verslechtering van de kwaliteit van het polymeer. "Dit was een project met een hoog risico, omdat koppelingsreacties die kunnen kiezen tussen twee verschillende organische tingroepen niet eerder in de chemie bekend waren", zegt Staubitz. Daarom, Promovendus Julian Linshöft hoefde niet alleen een selectieve, maar een zeer selectieve kruiskoppelingsreactie. "De eerste moeilijkheid was om de juiste reactiviteitspatronen voor de monomeren te vinden", Linshöft herinnert zich. "Voor deze, er was tot nu toe geen lood in de chemische literatuur."

Het experiment was een succes. Het team was in staat om het gewenste plastic te bereiden met palladium als reactiekatalysator. Het materiaal kan gemakkelijk worden verwerkt tot dunne films, die glanzend zwart zijn en waarvan de toepassing in zonnecellen nu kan worden getest. Linshöft, wiens werk werd gefinancierd door een beurs van de Duitse Stichting voor het Milieu, zegt:"Eindelijk, we zijn in staat om deze nieuwe halfgeleidende kunststoffen te maken. Hun volledige potentieel kan in de nabije toekomst worden beoordeeld."