To-til-en energi fra fotoner, nu bedre end nogensinde

Ved vridning og drejning af lange organiske molekyler, National Renewable Energy Laboratory (NREL) forskere har fundet en lovende gruppe af materialer til morgendagens supereffektive solceller.

I et nyt papir i Nature Chemistry, NREL-forskere demonstrerede, hvordan et omhyggeligt designet molekyle effektivt kan opdele energien fra en foton i to exciterede tilstande og holde dem adskilt i flere mikrosekunder - lang tid på molekylær skala. De tre forfattere - Nadia Korovina, Chris Chang, og Justin Johnson – trak på deres forskelligartede ekspertise inden for kemi og computermodellering for at designe dette nye molekyle og lære, hvordan det fungerer.

Når en foton rammer et passende halvledermateriale, det skaber en exciton - en ophidset energitilstand. I nogle organiske molekyler, exciton kan splitte, danner to triplet excitoner. Denne proces med "singlet fission" kunne potentielt bruges til at udvinde mere energi fra hver absorberet foton end i en traditionel solcelle. Imidlertid, hvis disse to trillinger støder på hinanden, de vil rekombinere og ophøre med at eksistere. Derudover den proces, hvorved en singlet deler sig i to stabile trillinger, kan ofte miste noget energi til opvarmning.

Et ideelt organisk fotovoltaisk molekyle ville løse begge disse problemer - hvilket betyder, at det effektivt konverterer singlet excitoner til tripletter uden varmetab og holder disse tripletter adskilt, så de ikke kan rekombinere. I stedet for at søge efter et sådant molekyle, NREL-teamet besluttede at designe deres eget. Med udgangspunkt i tidligere forskning, holdet vidste generelt, hvilke typer organiske molekyler der viste løfte. Men de var nødt til at bestemme præcis, hvor lange og komplekse disse molekyler skulle være for at forhindre triplet-rekombination.

Med det mål for øje, Korovina syntetiserede en række molekyler af varierende længde, alle bygget af kæder af kromoforer - lysabsorberende molekylære byggesten.

"Den sværeste del var at designe molekyler, hvor den fine balance mellem singlet og triplet energier blev opnået, " sagde Korovina. "Efter omkring et års forsøg og fejl, vi havde de rigtige molekyler, hvorfra vi var i stand til at lære forviklingerne ved singlet fissionsprocessen."

Efter omhyggeligt sortering af disse molekyler efter størrelse, holdet fandt ud af, at en kæde på mindst tre kromoforer er nødvendig for at kunne isolere to triplet-excitoner.

For at finde ud af præcis, hvordan kæden af ​​kromoforer isolerede de to trillinger, Johnson og Korovina vendte sig mod Chang, en beregningsforsker med en baggrund i biokemi. "Jeg ser modellering som en hjælp til at besvare to store spørgsmål, " sagde Chang. "Hvordan fungerer det baseret på underliggende principper? Og hvordan ser det ud, når det gør det?"

Ved at skabe og derefter forfine en model for, hvordan molekylerne bevæger sig og interagerer, holdet opdagede, at en vridende bevægelse giver molekylerne de egenskaber, der er nødvendige for at isolere trillingerne. Den molekylære kæde er normalt diskette og fleksibel, når den ikke er under belysning; men når den absorberer en foton, kæden drejer sig om sin midterakse og stivner først, resulterer i en form, der letter dannelsen af ​​to trillinger. Den efterfølgende vridning, der opstår efter den indledende proces er færdig, hjælper med at rumligt adskille de to trillinger, forlænge deres levetid.

Ved at kombinere eksperimentelle og modellerende tilgange, holdet var ikke kun i stand til at udvikle et lovende energiabsorberende molekyle, men også for at forklare dens funktion i detaljer. Nu hvor den grundlæggende mekanisme er godt forstået, fremtidig udvikling og brug af lignende molekyler i højeffektive solceller eller andre fotoelektrokemiske systemer bør være lettere.

"Nye opdagelser som denne er mulige uden at krydse discipliner, "Johnson sagde, "men at kombinere ekspertise, som vi gjorde, kan give en meget større effekt."