Forskere forklarer mekanismen bag en proces, der kan øge effektiviteten af ​​organiske solceller

I lyset af klimaændringerne og energireformens behov, det er blevet særligt vigtigt at øge effektiviteten af ​​organiske solceller markant. I en proces kendt som 'singlet fission', en foton exciterer to elektroner samtidigt. Hvis denne effekt kan udnyttes, det kan meget vel være muligt at øge kraften fra solceller dramatisk. Fysikere og kemikere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der samarbejder i et internationalt fælles projekt med Northwestern University i USA, har med succes udarbejdet alle de afgørende mellemfaser i singlet fissionsprocessen og har formået at beskrive mekanismen i detaljer for første gang. Resultaterne er publiceret i det førende fagtidsskrift Naturkommunikation .

Molekyler, der stimuleres af lys, når et højere excitationsniveau; det betyder, at den tilsvarende energi kan bruges i organiske solceller til at generere en elektrisk strøm. Når en let partikel kolliderer med og absorberes af et molekyle, det er muligt, at den overskudsenergi, der blev skabt i det ene molekyle, kunne stimulere en elektron i et andet molekyle i dets umiddelbare nærhed. Som resultat, begge disse molekyler ville indeholde en elektron i en højere excitationstilstand. Denne proces kaldes singlet fission (SF), og den kunne, i det bedste tilfælde, føre til en 50% stigning i solcellernes ydeevne. Imidlertid, den genererede energi tilbageholdes ikke af molekyler for evigt, og molekylerne vil i sidste ende vende tilbage til deres tidligere tilstand. Princippet bag SF har været kendt i 50 år, men dens nøjagtige mekanisme er stadig ikke fuldt ud forstået. Derfor har forskerne med base i Erlangen nøje analyseret hver mellemfase mellem molekylstimulering og tilbage til original tilstand.

To metoder anvendt til at identificere individuelle faser

I samarbejde med internationale forskere, teamet på FAU under prof. dr. Dirk M. Guldi (indehaver af lærestolen for fysisk kemi I) brugte to forskellige metoder til at identificere de enkelte faser. Da alle processer, der forekommer inde i et molekyle efter dets excitation, foregår ved meget høje hastigheder, spektroskopiske metoder skal anvendes for at give tidsopløst indsigt i de individuelle faser efter stimulering.

Ved hjælp af spektroskopi, forskerne så først på, hvordan molekylernes absorptionsegenskaber ændrede sig under deaktiveringsfasen. Visse overgangsfaser kendt som mellemprodukter efterlader "fingeraftryk", der gør det muligt at identificere disse tydeligt. Nogle mellemprodukter, imidlertid, har identiske absorptionsegenskaber, derfor er det nødvendigt at bruge en anden metode til analyse - i dette tilfælde elektronspinresonansspektroskopi. Dette skyldes, at nogle af mellemprodukterne adskiller sig med hensyn til spin af deres stimulerede elektroner. Ved at bruge disse to metoder sammen, FAU-teamet lykkedes med at identificere alle mellemprodukterne og udvikle en standardiseret model for, hvad der sker i SF. Forskerne håber, at resultaterne af deres arbejde vil gøre det muligt at tage en mere målrettet tilgang til molekyledesign, der igen vil muliggøre produktionen af ​​en solcelle, der opererer på basis af singlet fission-princippet.