En milepæl på vejen mod effektive solceller

Forskere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbejder i øjeblikket på et fælles forskningsprojekt for at generere mere elektricitet fra solceller og udføre yderligere forskning i såkaldt singlet fission med Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center, US Singlet -fission kan øge solcellernes effektivitet betydeligt, og takket være den nyeste forskning, det er et skridt tættere på at blive muligt. Resultaterne er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Chem .

Det globale energiforbrug er steget, og den opadgående tendens vil fortsætte i de kommende år. I et forsøg på at imødekomme efterspørgslen og samtidig beskytte miljøet, elektricitet fra solenergi, vind, vand og biomasse kilder får større betydning. Imidlertid, kun cirka 6 procent af bruttoelektriciteten produceret i Tyskland i 2017 kom fra fotovoltaiske systemer, og den siliciumbaserede teknologi, der i øjeblikket er tilgængelig, når hurtigt sine grænser med hensyn til potentiale.

Solceller er ekstremt ineffektive til at konvertere solenergi til elektricitet. Deres effektivitet er i øjeblikket kun 20 til 25 procent. Nye tilgange er nødvendige for væsentligt at øge solcellernes ydeevne og generere mere elektricitet. Svaret kan findes i fysisk-kemiske processer, der markant øger solcellernes effektivitet. Forskere ved FAU og ANSER Center har undersøgt en lovende tilgang som en del af deres fælles forskningsprojekt. Forskerne undersøgte den såkaldte singlet fission (SF) mekanisme, hvor en foton ophidser to elektroner.

Princippet om singlet fission blev opdaget for cirka 50 år siden, men dets potentiale for at øge effektiviteten af ​​organiske solceller blev kun anerkendt af forskere i USA for omkring 10 år siden. Siden da, forskere rundt om i verden har arbejdet på at få en mere detaljeret forståelse af de grundlæggende processer og komplekse mekanismer bag. Sammen med prof. Michael Wasielewski fra ANSER Center, forskerne fra FAU har nu formået at afklare nogle ekstraordinært betydningsfulde aspekter af SF.

Når en foton fra sollys møder og absorberes af et molekyle, energiniveauet for en af ​​elektronerne i molekylet øges. Ved at absorbere en foton, et organisk molekyle omdannes derved til en tilstand med højere energi. Elektricitet kan derefter genereres i solceller fra denne energi, som lagres midlertidigt i molekylet. Det optimale scenario i konventionelle solceller er, at hver foton genererer én elektron som bærer for elektriciteten. Hvis, imidlertid, dimerer fra udvalgte kemiske forbindelser anvendes, to elektroner fra nabomolekyler kan omdannes til en tilstand med højere energi. I alt, en foton genererer to ophidsede elektroner, som igen kan bruges til at producere elektrisk strøm - to er lavet af en. Denne proces er kendt som single fission, og i det ideelle scenario, kan øge solcellernes ydeevne betydeligt. Kemikere og fysikere ved FAU og ANSER Center har undersøgt den bagvedliggende mekanisme mere detaljeret, hvilket fører til en betydeligt mere omfattende forståelse af SF -processen.

Som det første trin i deres forskning, forskerne fremstillede en molekylær dimer fra to pentacenenheder. Dette carbonhydrid anses for at være en lovende kandidat til brug af singlet fission i solceller. De udsatte derefter væsken for lys og brugte forskellige spektroskopiske metoder til at undersøge de fotofysiske processer i molekylet.

Dette gav forskerne tre vidtrækkende indsigt i mekanismen bag intra-molekylær singlet fission. For det første, det lykkedes dem at bevise, at kobling til en højere ladningsoverførselstilstand er afgørende for højeffektiv SF. For det andet, de verificerede en model for singlet fission, de for nylig oprettede og udgav. For det tredje (og endelig), de beviste, at SF-effektiviteten klart korrelerer med, hvor stærkt de to pentacene-underenheder er koblet.

Resultaterne indikerer vigtigheden af ​​omhyggelig planlægning af design af SF -materialer. Dette er en vigtig milepæl på vejen mod at bruge SF-baserede solcelleanlæg til at generere elektricitet. Yderligere grundforskning er stadig påkrævet, imidlertid.