Forskning lodder de molekylære byggesten til lysfølsomme materialer

At skabe den næste generation af solceller og sensorer kræver et nøje kig på, hvordan lys interagerer med lysfølsomme materialer. Forskning ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory fremmer denne forståelse mod en fremtid med fleksibel, højeffektive solceller og banebrydende optiske værktøjer.

At designe nye teknologier, der udnytter lys ved hjælp af organiske materialer, forskere udforsker de grundlæggende molekylære funktioner i spil. For eksempel, brugen af ​​specialdesignede kulstofbaserede komponenter kunne muliggøre fleksible, tyndfilm solceller, eller solcelleanlæg. Denne type materiale kunne muliggøre alt fra tonede strømgenererende vinduer til bærbare opladere, at udvide solenergi langt ud over det traditionelle, siliciumbaserede tagpaneler. Imidlertid, der mangler stadig at blive opdaget, om hvilke byggesten til disse organiske solceller der vil levere høj effektivitet, holdbarhed og lave omkostninger.

"På nogle måder, solcelleanlæg i dag er som den tidlige bilindustri, " sagde Richard Schaller, en fysisk kemiker ved Argonne og professor ved Northwestern University. "Et dusin eller flere forskellige teknik- og materialetilgange har alle til formål at udnytte solenergi, men de retter sig mod flere identificerede markeder, samt reagere på forskellige omkostnings- og ydeevnedrivere."

Sådanne materialer spænder over tykke, høj renhed krystallinske uorganiske stoffer som silicium til lave omkostninger, meget tyndere organisk plastik og små molekyler, som kræver mindre indledende energitilførsel for at fremstille.

Hjertet af organiske solceller er sammensat af separate regioner kendt som elektrondonorer og elektronacceptorer. Når fotoner fra sollys rammer disse områder, fotonerne afsætter energi i negativt ladede elektroner, som exciteres og producerer positivt ladede huller, hvor elektronerne var. Disse elektron-hul-par klæber sammen på grund af deres modsatte ladning og kaldes excitoner. Når excitoner møder grænsefladen mellem donor og acceptor, de kan splitte, lette den separate overførsel af elektroner, der bevæger sig mod den ene elektrode og huller mod den anden, generere en strøm.

sfærisk, hule kulstofmolekyler kendt som fullerener udgør store acceptorer i en celle, men fullerener har ulemper, sagde Lin Chen, en Distinguished Fellow ved Argonne og kemiprofessor ved Northwestern University.

"Fulleren er svært at syntetisere, og dyrere i vægt end guld, " sagde hun. "Det har været en løbende proces at finde ikke-fulleren acceptorer, der er omkostningseffektive og robuste til langtidsholdbare organiske solceller."

Chen, Schaller og kolleger studerer perylendiimid (PDI) derivater, som er potentielle alternativer til fullerener baseret på en klasse af billige pigmenter. I en nylig undersøgelse, forskerne undersøgte seks variationer af PDI'er syntetiseret af Luping Yu, en studie medforfatter og kemiprofessor ved University of Chicago, og hans kolleger. Målet var at se, hvordan ændringer i molekylær struktur påvirkede PDI'ernes lyskonverteringseffektivitet.

Disse PDI-molekyler er forbundet til par kaldet dimerer for at forbedre deres elektroniske kommunikation med donormaterialer. Undersøgelsen sammenlignede aktiviteter blandt disse dimerer med linkere af forskellig længde og stivhed. Forskningen, som blev offentliggjort i tidsskriftet Kemisk Videnskab i juni, 2020, kombineret eksperimentel og teoretisk ekspertise blandt samarbejdspartnerne for at samle den hidtil mest omfattende karakterisering af forskellige PDI-strukturer til fotovoltaik.

På den eksperimentelle side, forskere undersøgte dimererne med ultrahurtig emission og transient absorptionsspektroskopi for i realtid at måle dynamikken i excitongenerering, evolution og forfald. Disse optiske undersøgelser, som hjælper følsomt med at spore excitonaktivitet ved at optage forskellige lysspektre, når fotonerne absorberes eller udsendes af materialet, blev udført på Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

De tidsopløste lysmålinger blev valideret via omfattende beregninger af George Schatz, studie medforfatter og en kemiprofessor ved Northwestern University, som sammen med kolleger undersøgte den strukturelle afhængighed af energiniveauer i disse molekyler, såsom hvordan linkeren mellem to PDI'er ændrer tætheden af ​​elektronstrømmen mellem dem.

I en separat undersøgelse, Chen, Schaller og kolleger evaluerede excitonaktiviteten af ​​samlede molekyler kendt som todimensionelle kovalente organiske rammer, eller 2D COF'er, designet af studiemedforfatter William Dichtel og kolleger ved Northwestern University. COF'er har potentiale til brug i lysemitterende dioder, kemiske sensorer og solcelleanlæg - deres geometriske præcision giver mulighed for effektiv energitransport. Men lidt er kendt om, hvordan elektroner faktisk opfører sig i disse nye materialer.

2D COF'er ligner snefnug, der kan stables eller sammenkædes for at skabe et elektrontransporterende netværk. Når de slutter sig sammen, deres egenskaber ændrer sig, og forskerne ville vide hvorfor. De inspicerede disse krystallinske strukturer, igen ved at bruge transient absorptionsspektroskopi ved Northwestern University og CNM og også DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) beamline ved Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet i Argonne.

Pulver spreder lys i en grad, der gør det vanskeligt at karakterisere med spektroskopi. For at komme uden om dette problem, forskerne skabte en kolloid løsning af COF'er, giver mulighed for fotofysisk karakterisering, som ellers ikke ville have været mulig.

"Kolloide COF'er er på et ret tidligt stadie, " sagde Schaller. "Tidligere, de er kun blevet lavet som faste pulvere, og så selv bare at studere deres ejendomme har været en udfordring, som William Dichtel har været i stand til at bryde op."

Spektroskopi blev brugt til at måle elektronaktivitet, mens DND-CAT beamline hjalp med at måle størrelsen og molekylær pakning af COF'ernes krystallinske domæne.

"Vi opdagede en meget høj mobilitet af excitoner i 2D COF'erne, hvilket var uventet, " sagde Chen. "Resultaterne forstærker disse strukturers løfte om potentielle opto-elektroniske applikationer."

Holdets resultater er detaljeret i papiret "Store excitondiffusionskoefficienter i todimensionelle kovalente organiske rammer med forskellige domænestørrelser afsløret af ultrahurtig excitondynamik, ", som blev offentliggjort i juli sidste år i Journal of the American Chemical Society .