Tweaks bag genfødslen af ​​næsten kasserede organiske solteknologier

Et solenergimateriale, der er bemærkelsesværdigt holdbart og økonomisk overkommeligt, er desværre også ubrugeligt, hvis det knap nok producerer elektricitet, således havde mange forskere opgivet nye organiske solteknologier. Men på det seneste, et skift i den underliggende kemi har øget effektudgangen, og en ny undersøgelse har afsløret kontraintuitive tweaks, der gør den nye kemi vellykket.

Skiftet er fra "fulleren" til "non-fulleren acceptors" (NFA'er), vilkår beskrevet nedenfor, og inden for fotovoltaisk elproduktion, acceptoren er et molekyle med potentiale til at være for elektroner, hvad en catcher er for en baseball. Tilsvarende donormolekyler "pitch" elektroner til acceptor-"fangere" for at skabe elektrisk strøm. Den højt citerede kemiker Jean-Luc Brédas ved Georgia Institute of Technology har fremmet teknologien og også ledet den nye undersøgelse.

"NFA'er er komplekse bæster og gør ting, som den nuværende silicium-solteknologi ikke gør. Du kan forme dem, gør dem semi-gennemsigtige eller farvede. Men deres store potentiale ligger i muligheden for at finjustere, hvordan de frigør og flytter elektroner for at generere elektricitet, sagde Brédas, en Regents Professor i Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry.

Vinder på silicium

På blot de sidste fire år, tuning NFA kemi har sat skub i organisk solcelleteknologi fra først at omdanne 1 % af sollys til elektricitet til 18 % omdannelse i de seneste eksperimenter. Til sammenligning, højkvalitets silicium solcellemoduler, der allerede er på markedet, konverterer omkring 20%.

"Teori siger, at vi burde være i stand til at nå over 25% konvertering med organisk NFA-baseret sol, hvis vi kan kontrollere energitab ved hjælp af morfologien, " sagde Tonghui Wang, en postdoc-forsker i Brédas' laboratorium og førsteforfatter til undersøgelsen.

Morfologi, de former molekyler tager i et materiale, er nøglen til NFA-solteknologiens øgede effektivitet, men hvordan det virker på det molekylære plan har været et mysterium. Den nye undersøgelse modellerede omhyggeligt små justeringer til molekylære former og beregnede tilsvarende energiomdannelse i en fælles NFA-elektrondonor/acceptor-parring.

Forbedret ydeevne kom ikke fra tweaks til den metaforiske hånd af catcheren eller fra donorens pitching hånd, men fra noget, der ligner positioner af catcherens fødder. Nogle positioner justerede "legemet" af acceptoren bedre med elektrondonorens.

"Fødderne" var en lille komponent, en methoxygruppe, på accepteren, og to positioner ud af fire mulige positioner, den tog, øgede omdannelsen af ​​lys til elektricitet fra 6 % til 12 %. Brédas og Wang offentliggjorde deres undersøgelse, Organiske solceller baseret på ikke-fulleren små molekyle-acceptorer:indvirkning af substituerende position , den 20. november, 2019, i journalen Stof . Forskningen blev finansieret af Office of Naval Research.

(Kemikalieparret donor/acceptor var PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, eller -4, med -2 ​​og -3, der viser overlegen elproduktion. Se citatet nederst for et komplet kemisk navn.)

Klumpede siliciumceller

Salgbare NFA-baserede solceller kan have mange fordele i forhold til silicium, som kræver udvinding af kvartsgrus, smelter det som jern, renser det som stål, derefter skære og bearbejde det. Derimod organiske solceller starter som billige opløsningsmidler, der kan printes på overflader.

Siliciumceller er normalt stive og tunge og svækkes med varme og let stress, der henviser til, at NFA-baserede solceller er lette, fleksibel, og stress-resistent. De har også mere komplekse fotoelektriske egenskaber. I NFA-baserede fotoaktive lag, når fotoner exciterer elektroner ud af donormolekylers ydre baner, elektronerne danser rundt om de elektronhuller, de har skabt, sætte dem op til en tilpasset overdragelse til acceptanter.

"Silicon springer en elektron ud af kredsløb, når fotoner exciterer den forbi en tærskel. Det er tændt eller slukket; enten får du en ledningselektron eller ingen ledningselektron, sagde Brédas, som også er Vasser Woolley Chair in Molecular Design ved Georgia Tech. "NFA'er er mere subtile. En elektrondonor rækker ud til en elektron, og elektronacceptoren trækker det væk. Evnen til at justere morfologien gør elektronoverdragelsen afstembar."

Ikke en fulleren

Som navnet siger, ikke-fullerenacceptorer er ikke fullerener, som er rene kulstofmolekyler med ret ensartede og geometriske strukturer af gentagne femkantede eller sekskantede elementer. Nanorør, grafen, og sod er eksempler på fullerener, som er opkaldt efter arkitekten Buckminster Fuller, som var berømt for at designe geodætiske kupler.

Fullerener er mere rillede i molekylær struktur og tunbarhed end ikke-fullerener, som er mere frit designet til at være diskette og bøjelige. NFA-baserede donorer og acceptorer kan vikle sig om hinanden som præcise hvirvler af chokolade og vaniljedej i en Bundt-kage, giver dem fordele ud over elektrondonation og -accept - såsom bedre molekylær pakning i et materiale.

"Et andet punkt er, hvordan acceptormolekylerne er forbundet med hinanden, så den accepterede elektron har en ledende vej til en elektrode, " sagde Brédas. "Og det gælder donorerne, også."

Som i enhver solcelle, ledningselektroner har brug for en vej ud af det fotovoltaiske materiale ind i en elektrode, og der skal være en returvej til den modsatte elektrode for at ankommende elektroner kan fylde huller, som afgående elektroner efterlod.

Meget virkningsfulde citater

Brédas' anerkendelser er talrige, men han har især fået opmærksomhed for sin Google Scholar h-indeks score, en beregning af effekten af ​​en forskers publikationer. Bredas nuværende score på 146 placerer ham sandsynligvis blandt de 700 mest effektfulde publicerede forskere i moderne global historie.

Han har været en særlig kendt leder inden for fotoelektrisk og halvlederforskning baseret på økonomisk overkommelig og praktisk organisk kemi.