Zonnestralen zijn er in overvloed, schone energiebron die steeds belangrijker wordt naarmate de wereld probeert af te stappen van energiebronnen die bijdragen aan de opwarming van de aarde. Maar de huidige methoden voor het oogsten van zonneladingen zijn duur en inefficiënt - met een theoretische efficiëntielimiet van 33 procent. Nieuwe nanomaterialen ontwikkeld door onderzoekers van het Advanced Science Research Center (ASRC) aan het Graduate Center van The City University of New York (CUNY) kunnen een weg zijn naar een efficiëntere en mogelijk betaalbare oogst van zonne-energie.

De materialen, gemaakt door wetenschappers met het ASRC's Nanoscience Initiative, gebruik een proces dat singlet-splijting wordt genoemd om de levensduur van oogstbare, door licht gegenereerde elektronen te produceren en te verlengen. De ontdekking wordt beschreven in een nieuw gepubliceerd artikel in de Journal of Physical Chemistry . Vroeg onderzoek suggereert dat deze materialen meer bruikbare ladingen kunnen creëren en de theoretische efficiëntie van zonnecellen tot 44 procent kunnen verhogen.

"We hebben enkele van de moleculen in veelgebruikte industriële kleurstoffen aangepast om zelfassemblerende materialen te creëren die een grotere opbrengst aan oogstbare elektronen mogelijk maken en de levensduur van de elektronen in de geciteerde toestand verlengen, waardoor we meer tijd hebben om ze in een zonnecel te verzamelen, " zei Andrew Levine, hoofdauteur van het papier en een Ph.D. student aan het Graduate Center.

Het zelfmontageproces, Levine legde uit, zorgt ervoor dat de kleurstofmoleculen op een bepaalde manier stapelen. Door deze stapeling kunnen kleurstoffen die zonnefotonen hebben geabsorbeerd, energie koppelen en delen met - of "opwinden" - naburige kleurstoffen. De elektronen in deze kleurstoffen ontkoppelen vervolgens zodat ze kunnen worden opgevangen als oogstbare zonne-energie.

Methodologie en bevindingen

Om de materialen te ontwikkelen, onderzoekers combineerden verschillende versies van twee veelgebruikte industriële kleurstoffen:diketopyrrolopyrrool (DPP) en ryleen. Dit resulteerde in de vorming van zes zelfassemblerende bovenbouw, die wetenschappers onderzochten met behulp van elektronenmicroscopie en geavanceerde spectroscopie. Ze ontdekten dat elke combinatie subtiele verschillen in geometrie had die de opgewonden toestanden van de kleurstoffen beïnvloedden, het optreden van singlet-splijting, en de opbrengst en levensduur van te oogsten elektronen. Betekenis

"Dit werk biedt ons een bibliotheek met nanomaterialen die we kunnen bestuderen voor het oogsten van zonne-energie, " zei professor Adam Braunschweig, hoofdonderzoeker van de studie en een universitair hoofddocent bij het ASRC Nanoscience Initiative en de scheikundeafdelingen van Hunter College en The Graduate Center. "Onze methode om de kleurstoffen te combineren tot functionele materialen met behulp van zelfassemblage, betekent dat we hun eigenschappen zorgvuldig kunnen afstemmen en de efficiëntie van het kritieke lichtoogstproces kunnen verhogen."

Het vermogen van de materialen om zelf te assembleren kan ook de tijd verkorten voor het maken van commercieel levensvatbare zonnecellen, zeiden de onderzoekers, en goedkoper blijken te zijn dan de huidige fabricagemethoden, die afhankelijk zijn van het tijdrovende proces van moleculaire synthese.

De volgende uitdaging van het onderzoeksteam is om een ​​methode te ontwikkelen voor het oogsten van de zonneladingen die door hun nieuwe nanomaterialen worden gecreëerd. Momenteel, ze werken aan het ontwerpen van een ryleenmolecuul dat het elektron van het DPP-molecuul kan accepteren na het singlet-splijtingsproces. Indien succesvol, deze materialen zouden zowel het singlet-splijtingsproces initiëren als de ladingsoverdracht naar een zonnecel vergemakkelijken.