Met behulp van een bio-nabootsende analoog van een van de meest efficiënte lichtoogststructuren van de natuur, grassprietjes, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Alejandro Briseno van de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van lang gezochte polymeerarchitectuur om de efficiëntie van de energieconversie van licht naar elektriciteit voor gebruik in elektronische apparaten te verbeteren.

Brisèno, met collega's en afgestudeerde studenten aan de UMass Amherst en anderen aan de Stanford University en de Technische Universiteit van Dresden, Duitsland, verslag in het huidige nummer van Nano-letters dat door het gebruik van monokristallijne organische nanopilaren, of "nanogras, "Ze hebben een manier gevonden om doodlopende wegen te omzeilen, of onderbroken paden, die een ernstig nadeel vormen bij het gebruik van gemengde systemen die bekend staan ​​als bulk heterojunction donor-acceptor, of positief-negatief (p-n), knooppunten voor het oogsten van energie in organische zonnecellen.

De onderzoeksgroep van Briseno is een van de weinige ter wereld die organische eenkristal pn-overgangen ontwerpt en kweekt. Hij zegt, "Dit werk is een grote vooruitgang op het gebied van organische zonnecellen omdat we hebben ontwikkeld wat het veld beschouwt als de 'Heilige Graal'-architectuur voor het oogsten van licht en het omzetten in elektriciteit." De doorbraak in morfologiecontrole zou wijdverbreid moeten worden toegepast in zonnecellen, batterijen en verticale transistors, hij voegt toe.

Briseno legt uit, "Al tientallen jaren hebben wetenschappers en ingenieurs veel moeite gedaan om de morfologie van pn-junctie-interfaces in organische zonnecellen te beheersen. We melden hier dat we eindelijk de ideale architectuur hebben ontwikkeld die bestaat uit organische eenkristal verticale nanopilaren." Nanopijlers zijn op nanoschaal, gemanipuleerde oppervlakken met miljarden organische palen die lijken op grassprieten, en net als grassprieten zijn ze bijzonder effectief in het omzetten van licht in energie.

De vooruitgang pakt niet alleen het probleem aan van doodlopende wegen of onderbroken paden die zorgen voor inefficiënte energieoverdracht, maar het lost ook enkele instabiliteitsproblemen op, waar de materialen in gemengde mengsels van polymeren de neiging hebben om hun fasegescheiden gedrag na verloop van tijd te verliezen, vernederende energieoverdracht, zegt de polymeerchemicus. Ook, materialen in gemengde systemen hebben de neiging om op zijn best amorf tot semi-kristallijn te zijn en "dit is een nadeel aangezien ladingstransport efficiënter is in sterk kristallijne systemen."

specifiek, om de moleculaire oriëntatie en pakking op elektrodeoppervlakken te regelen, het team combineerde kennis over grafeen en organische kristallen. Hoewel het moeilijk was, Briseno zegt, ze slaagden erin om de benodigde verbindingen als munten te stapelen. Gestapelde verbindingen zijn ideaal voor ladingstransport aangezien deze configuratie de grootste ladingstransportanisotropie heeft. Anisotropie van ladingstransport is een fenomeen waarbij elektronen sneller langs een bepaalde kristallografische richting stromen als gevolg van nauwe interacties tussen moleculen en moleculen. In dit geval, de anisotropie is langs de nanopijler, loodrecht op de ondergrond.

Briseno zegt, "De grootste uitdaging bij het produceren van deze architectuur was het vinden van het juiste substraat waarmee de moleculen verticaal kunnen worden gestapeld. We hadden in wezen elk mogelijk substraat benut totdat we er uiteindelijk in slaagden met grafeen, " hij voegt toe, wat per ongeluk gebeurde toen een student het verkeerde substraat koos om kristallen op te laten groeien.

"Meer dan een week kweekte de student verticale kristallen en we realiseerden het niet eens totdat we het oppervlak van het substraat met een scanning-elektronenmicroscoop in beeld brachten. We waren geschokt toen we kleine kristallen rechtop zagen staan! Uiteindelijk hebben we de omstandigheden geoptimaliseerd en de mechanisme van kristallisatie, " voegt de polymeerchemicus toe.

Verticale nanopijlers zijn ideale geometrieën om deze uitdagingen te omzeilen, Briseno zegt, "omdat ladingsscheiding/-verzameling het meest efficiënt is loodrecht op het plastic apparaat. In dit geval, onze nanopijlers lijken sterk op nanogras. Onze systemen hebben vergelijkbare kenmerken van gras, zoals een array-systeem met hoge dichtheid, verticale oriëntaties en het vermogen om licht efficiënt om te zetten in energie."

De techniek is eenvoudig, goedkoop en toepasbaar op een bibliotheek van donor- en acceptorverbindingen die in de handel verkrijgbaar zijn, merkt hij op. "We voorzien dat onze nanopijler-zonnecellen aantrekkelijk zullen zijn voor low-end energietoepassingen zoals gadgets, speelgoed, sensoren en wegwerpapparaten met een korte levensduur."