Illustration af lysindsamlingstragten, der leder energi til et brændpunkt langs forskellige ruter, og aflaster derefter langsomt energien til en solcelle eller anden enhed. Kredit:Raymond Ziessel, et al. ©2013 American Chemical Society
Det er ofte blevet sagt, at solceller er som kunstige versioner af de fotosyntetiske apparater, der findes i planter, såsom blade, da begge høster sollys. Men naturens blade kan noget, som de fleste solceller ikke kan:beskytte sig mod fotokemiske skader fra overeksponering for sollys.
I et forsøg på at beskytte kunstigt lys-høstudstyr mod solskader, kemikere har designet et tragtformet array i molekylær skala, der høster fotoner, spreder energien rundt i arrayet, og aflader energien med en relativt langsom hastighed til en solcelle eller anden enhed. Ved at regulere mængden af energi, der kommer ind i solcellen, det nye array kan forlænge solcellens levetid, som skal fungere under barske forhold forbundet med langvarig udsættelse for sollys.
Forskerne, Raymond Ziessel, Gilles Ulrich, og Alexandre Haefele ved universitetet i Strasbourg i Frankrig, sammen med Anthony Harriman ved Newcastle University i Storbritannien, har udgivet deres papir om deres kunstige lys-høstende array i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .
"UV-lys er skadeligt for cellerne og for den bærende struktur, " fortalte Harriman Phys.org . "Fotoner går tabt i form af tilintetgørelse, og optimal ydeevne kræver en konstant flux af fotoner. Dette er endnu vigtigere for vandopdelere, det er her, vi ser vores lysoptager have rigtige applikationer. "
Det nye array består af 21 Bodipy ("bor-dipyrromethen") farvestoffer, som er stærkt fluorescerende farvestoffer kendt for deres gode lysabsorption og emission. Bodipy-farvestofferne er arrangeret i et tragtlignende design, der konvergerer til et brændpunkt. Når de udsættes for lys, arrayet leder excitationsenergien fra indfaldende fotoner gennem tragten gennem en række kaskadende energioverførselstrin, indtil energien når brændpunktet.
Det vigtigste træk ved designet er dets evne til selv at regulere sin energi. Når fokuspunktet er i en ophidset tilstand, yderligere energioverførsel til brændpunktet er begrænset. For at øge mængden af energi, der når fokuspunktet, arrayets topologi giver forskellige rejseruter for energien for at sikre forskellige ankomsttider. Strategien involverer omfordeling af overskydende energi i arrayet, indtil fokuspunktet ikke længere er "mættet".
Denne mekanisme til beskyttelse mod overeksponering for sollys er ikke strengt baseret på de mekanismer, der bruges af planter. I naturen, forskellige mekanismer er udviklet til dette formål, selv om detaljerne i disse mekanismer stadig er under aktiv debat.
Mens egenskaberne for det nye array er spændende, forskerne tilføjer, at selve syntesen også er state-of-the-art. Brug af Bodipy-farvestoffer som byggesten giver vished om den nye struktur, i modsætning til når man bruger andre molekyler, såsom dendrimerer, hvor det er svært at sikre fuldstændig vækst med hvert lag.
I fremtiden, tragten i molekylær skala kunne beskytte solceller ved at fungere som en sensibilisator; det er, overføre energi på en kontrolleret måde til solcellerne eller andre eksterne enheder. Arrayet giver også en fordel i stabilitet sammenlignet med anvendelse af en blanding af forbindelser. Og selvom arrayet begrænser energioverførsel, det nedsætter ikke solcelleeffektiviteten.
"På nuværende tidspunkt den begrænsende effektivitet er at koble de to systemer sammen, "Harriman sagde." I princippet der bør ikke være noget fald i effektiviteten. Den reelle fordel vil komme ved at bruge en solfanger med stort areal og en solcelle med lille areal."
I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre overførslen af fotoner fra arrayet til solcellen.
"Vi forsøger at bygge systemer, hvor fotonerne let bevæger sig fra klynge til klynge, før de fanges af solcellen, " sagde Harriman. "Også, vi undersøger måder at skubbe fotonerne mod solcellen, frem for at stole på tilfældige migrationer. Denne form for kvantesammenhæng kan være vigtig i visse tilfælde i naturen, men ligger langt ud over den nuværende evne til kunstige systemer. Vi har ideer til, hvordan vi kan forbedre os, og vi forudser hurtige fremskridt på dette område."
© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.