Organische fotovoltaïsche energie biedt een groot potentieel voor grootschalige, kosteneffectieve opwekking van zonne-energie. Een uitdaging die moet worden overwonnen, is de slechte ordening van de dunne lagen bovenop de elektroden. Gebruikmakend van zelfassemblage op atomair vlakke, transparante ondergronden, een team van wetenschappers van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft geordende monolagen van moleculaire netwerken ontwikkeld met fotovoltaïsche reacties. De bevindingen openen intrigerende mogelijkheden voor de bottom-up fabricage van opto-elektronische apparaten met moleculaire precisie.

De natuur is ongeëvenaard als het gaat om de zelfassemblage van complexe, hoogwaardige moleculaire machines voor lichtabsorptie, exciton- of ladingsscheiding en elektronenoverdracht. Moleculaire nanotechnologen hebben er lang van gedroomd om zulke buitengewone biomoleculaire architecturen na te bootsen en ze opnieuw te bedraden om goedkope elektriciteit te produceren.

Nu onderzoekers van de afdelingen Natuurkunde en Scheikunde aan de Technische Universiteit van München (TUM), van het Max-Planck Instituut voor Polymeeronderzoek (Mainz, Duitsland) en de Université de Strasbourg (Frankrijk) hebben kleurstofmoleculen zodanig gemodificeerd dat ze kunnen dienen als bouwstenen van zelfassemblerende moleculaire netwerken.

Op de atomair vlakke oppervlakken van een met grafeen gecoat diamantsubstraat assembleren de moleculen zichzelf tot de doelarchitectuur op een manier die lijkt op eiwitten en DNA-nanotechnologie. De enige drijvende kracht komt voort uit de gemanipuleerde supramoleculaire interacties via waterstofbruggen. Zoals verwacht, het moleculaire netwerk produceert een fotostroom bij blootstelling aan licht.

Van kunst tot toepassing

"Lange tijd werden geconstrueerde, zelf-geassembleerde moleculaire architecturen beschouwd als kunstzinnig, " zegt PD Dr. Friedrich Esch, een hoofdauteur van de studie. "Met deze publicatie presenteren we voor het eerst een serieuze praktische implementatie van deze technologie."

"In conventionele organische fotovoltaïsche systemen is de verbetering van de moleculaire ordening nog steeds een uitdaging. de toolbox voor nanotechnologie biedt ons de mogelijkheid om a priori een atomair nauwkeurige lay-out van de samenstellende componenten te maken, " zegt Dr. Carlos-Andres Palma, die het onderzoek mede begeleidde. "De mogelijkheid van volledige fysisch-chemische controle van de componenten geeft ons extra stelschroeven voor functionele optimalisatie."

De wetenschappers hopen nu de configuratie van het apparaat op te schalen en de fotovoltaïsche respons onder standaardomstandigheden te certificeren. "Het intercaleren van zelf-geassembleerde kleurstoffen tussen stapels tweedimensionale elektroden zoals grafeen, opent de mogelijkheid van eenvoudige opschaling naar efficiënte fotovoltaïsche monolaagelementen", beweert Dr. Palma "Dit zal ons werk op de kaart van de zonneceltechnologie zetten".

Perfecte combinatie van oppervlaktechemie en natuurkunde

De wetenschappers gebruikten terryleen-diimide-moleculen als fotoactieve kleurstoffen. Het netwerk ontstaat wanneer de langwerpige terryleenmoleculen zich verbinden met driewaardige melamine. Door geschikte zijgroepen voor het terryleendiimide te kiezen bepalen de auteurs van de studie welke architecturen zich kunnen vormen.

"Dit werk is een uitstekend voorbeeld van de interdisciplinaire samenwerking die we willen aangaan met de instelling van het Catalysis Research Center:een perfecte match van scheikunde en natuurkunde, " zegt professor Ulrich Heiz, directeur van het TUM Catalysis Research Center.