Langsom ladningsgenerering spiller en stor rolle i modelmateriale til solceller

Næste generations enheder baseret på molekylære materialer har potentialet til effektivt at bruge sollys til at producere elektricitet eller til at drive kemiske reaktioner. I modsætning til kommercielle solceller, hvor absorption af lys direkte genererer ladning, der kan udvindes som elektricitet, absorption af lys af molekylære materialer skaber uladede energiske tilstande kaldet excitoner. Tricket til at lave en effektiv enhed er effektivt at konvertere excitonerne til ladning. Denne undersøgelse afslørede en ny mekanisme til at skabe ladning fra excitoner. Ved at følge excitoner i et molekylært modelmateriale, et hold fandt ud af, at lavere energi excitoner lavet dybt i bulken spiller en større rolle i at generere ladning end tidligere antaget.

Holdets undersøgelse viser, at en tidligere forsømt, langsommere vej skaber det meste af ladningen ved grænsefladen. Denne indsigt viser en vej, som forskere bør overveje, når de designer molekylær elektronik. Undersøgelsen giver også absolutte benchmarkværdier for design af specialiserede grænseflader, der effektivt konverterer lys til opladning.

At designe molekylære solceller, sensorer, etc., forskere skal vide, hvordan lys skaber elektricitet på atomare skala. Dette er ikke let, fordi processerne kan forekomme på en billiontedel af et sekund (picosecond). Forskere fandt en måde, ved hjælp af picosekund tidsopløst røntgenfotoelektronspektroskopi og et modelmateriale lavet af en kobberbaseret elektrondonor og en kulstofacceptor. Specifikt, de så på metal-organiske heterojunctions i en kobber-phthalocyanin (CuPc) donor og fulleren-baseret (C60) acceptor. Metoden lader forskere studere, hvordan excitoner migrerer gennem materialet og adskilles i adskilte ladninger, der er nyttige til elektroniske eller kemiske anvendelser. Deres resultater ændrede, hvordan videnskabsmænd tænker om energi i dette materiale. Den tidligere opfattelse fokuserede på excitoner med højere energi, kendt som singlet excitoner, som er direkte genereret af lyset. Forskere troede, at singlet-excitonerne, der blev skabt, hvor donor- og acceptormaterialerne mødes, genererede det meste af elektriciteten. Ikke så. Langsommere dannelse, triplet-excitoner med lavere energi, der dannes i hovedparten af ​​det kobberbaserede materiale, bidrager med størstedelen af ​​ladningen på en tidsgennemsnitlig basis.

Undersøgelsen giver ny indsigt i exciton-migrering og ladningsgenerering i disse materialer. Også, det giver absolutte benchmarkværdier for designet af CuPc-C ₆₀ heterojunctions for effektiv lys-til-opladning konvertering.