Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Energy Department ontdekten dat enkelwandige halfgeleiders van koolstofnanobuisjes gunstig kunnen zijn voor fotovoltaïsche systemen omdat ze mogelijk zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit of brandstoffen zonder veel energie te verliezen.

Het onderzoek bouwt voort op het Nobelprijswinnende werk van Rudolph Marcus, die een fundamenteel principe van fysische chemie ontwikkelde dat de snelheid verklaart waarmee een elektron van de ene chemische stof naar de andere kan gaan. De Marcus-formulering, echter, is zelden gebruikt om foto-geïnduceerde elektronenoverdracht te bestuderen voor opkomende organische halfgeleiders zoals enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT) die kunnen worden gebruikt in organische PV-apparaten.

In organische PV-apparaten, nadat een foton is geabsorbeerd, ladingen (elektronen en gaten) moeten over het algemeen over een interface worden gescheiden, zodat ze lang genoeg kunnen leven om als elektrische stroom te worden opgevangen. De elektronenoverdracht die deze gescheiden ladingen produceert, gaat gepaard met een potentieel energieverlies omdat de betrokken moleculen hun bindingen structureel moeten reorganiseren. Dit verlies wordt reorganisatie-energie genoemd, maar NREL-onderzoekers ontdekten dat er weinig energie verloren ging bij het koppelen van SWCNT-halfgeleiders met fullereenmoleculen.

"Wat we in onze studie vinden, is dat dit specifieke systeem - nanobuisjes met fullerenen - een uitzonderlijk lage reorganisatie-energie hebben en de nanobuisjes zelf hebben waarschijnlijk zeer, zeer lage reorganisatie-energie, " zei Jeffrey Blackburn, een senior wetenschapper bij NREL en co-auteur van het artikel "Tuning the driving force for exciton dissociation in single-walled carbon nanotube heterojunctions."

Het artikel verschijnt in het nieuwe nummer van het tijdschrift Natuurchemie . De andere co-auteurs zijn Rachelle Ihly, Kevin Mistry, Andrew Ferguson, Obadja Reid, en Garry Rumbles van NREL, en Olga Boltalina, Tyler Clikeman, Bryon Larson, en Steven Strauss van de Colorado State University.

Organische PV-apparaten hebben een interface tussen een donor en een acceptor. In dit geval, de SWCNT diende als donor, omdat het een elektron schonk aan de acceptor (hier, het fullereen). De NREL-onderzoekers werkten strategisch samen met collega's van de Colorado State University om te profiteren van de expertise van elke instelling bij het produceren van donoren en acceptoren met goed gedefinieerde en zeer afstembare energieniveaus:halfgeleidende SWCNT-donoren bij NREL en fullereenacceptoren bij CSU. Dankzij deze samenwerking konden de wetenschappers van NREL bepalen dat de elektronenoverdracht niet gepaard ging met een groot energieverlies in verband met reorganisatie, wat betekent dat zonne-energie efficiënter kan worden geoogst. Om deze reden, SWCNT-halfgeleiders kunnen gunstig zijn voor PV-toepassingen.