Polymer krystaller er nøglen til rekordstor energitransport

Forskere fra universiteterne i Bristol og Cambridge har fundet en måde at skabe polymere halvledernanostrukturer, der absorberer lys og transporterer dets energi længere end tidligere observeret.

Dette kan bane vejen for mere fleksible og mere effektive solceller og fotodetektorer.

Forskerne, hvis arbejde optræder i journalen Videnskab , sige, at deres resultater kunne være en "game changer" ved at tillade energien fra sollys absorberet i disse materialer at blive fanget og brugt mere effektivt.

Letvægts halvledende plast er nu meget udbredt i elektroniske skærme på massemarkedet, såsom dem, der findes i telefoner, tablets og fladskærms-tv. Imidlertid, bruge disse materialer til at omdanne sollys til elektricitet, at lave solceller, er langt mere kompleks.

De fotoexciterede tilstande – som er når fotoner af lys absorberes af det halvledende materiale – skal bevæge sig, så de kan "høstes", før de mister deres energi på mindre nyttige måder. Disse excitationer rejser typisk kun ca. 10 nanometer i polymere halvledere, hvilket kræver konstruktion af strukturer mønstret i denne længdeskala for at maksimere "høsten".

I kemi laboratorier ved University of Bristol, Dr. Xu-Hui Jin og kolleger udviklede en ny måde at lave højt ordnede krystallinske halvledende strukturer ved hjælp af polymerer.

Mens han var i Cavendish Laboratory i Cambridge, Dr. Michael Price målte afstanden, som foto-exiterede stater kan rejse, som nåede afstande på 200 nanometer - 20 gange længere end tidligere var muligt.

200 nanometer er især betydningsfuldt, fordi det er større end tykkelsen af ​​det nødvendige materiale til fuldstændigt at absorbere omgivende lys, hvilket gør disse polymerer mere velegnede som "lyshøstere" til solceller og fotodetektorer.

Dr. George Whittell fra Bristol's School of Chemistry, forklarer:"Gevinsten i effektivitet ville faktisk være af to grunde:For det første, fordi de energiske partikler rejser længere, de er nemmere at "høste", og for det andet, vi kunne nu inkorporere lag ca. 100 nanometer tyk, hvilket er den mindste tykkelse, der er nødvendig for at absorbere al energien fra lys - den såkaldte optiske absorptionsdybde. Tidligere har i så tykke lag, partiklerne var ikke i stand til at rejse langt nok til at nå overfladerne."

Medforsker professor Richard Friend, fra Cambridge, tilføjede:"Den afstand, som energi kan flyttes i disse materialer, kommer som en stor overraskelse og peger på rollen som uventede kvantesammenhængende transportprocesser."

Forskerholdet planlægger nu at forberede strukturer, der er tykkere end dem i den nuværende undersøgelse og større end den optiske absorptionsdybde, med henblik på at bygge prototype solceller baseret på denne teknologi.

De forbereder også andre strukturer, der er i stand til at bruge lys til at udføre kemiske reaktioner, såsom opdeling af vand i hydrogen og ilt.