To for én i solenergi

Solceller giver mulighed for at høste rigeligt, vedvarende energi. Selvom det højeste energilys forekommer i det ultraviolette og synlige spektrum, mest solenergi er i infrarød. Der er en afvejning i at høste dette lys, så solceller er effektive i det infrarøde, men spilder meget af den tilgængelige energi fra de mere energirige fotoner i den synlige del af spektret.

Når en foton absorberes, skaber den en enkelt elektronisk excitation, der derefter adskilles i en elektron og et positivt ladet hul, uanset lysenergien. En måde at forbedre effektiviteten på er at opdele energi tilgængelig fra synlige fotoner i to, hvilket fører til en fordobling af strømmen i solcellen.

Forskere i Cambridge og Mons har undersøgt processen, hvor den indledende elektroniske excitation kan opdeles i et par halvenergi-excitationer. Dette kan ske i visse organiske molekyler, når den kvantemekaniske effekt af elektronspin sætter den indledende spin-'singlet'-tilstand til at være det dobbelte af energien af ​​det alternative spin-'triplet'-arrangement.

Studiet, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturkemi , viser, at denne proces med singlet fission til par af tripletter afhænger meget følsomt af interaktionerne mellem molekyler. Ved at studere denne proces, når molekylerne er i opløsning, er det muligt at kontrollere, hvornår denne proces er tændt.

Når materialet er meget fortyndet, afstanden mellem molekyler er stor, og singlet fission forekommer ikke. Når opløsningen er koncentreret, kollisioner mellem molekyler bliver hyppigere. Forskerne finder ud af, at fissionsprocessen sker, så snart kun to af disse molekyler er i kontakt, og bemærkelsesværdigt, at singlet fission så er fuldstændig effektiv - så hver foton producerer to tripletter.

Denne grundlæggende undersøgelse giver ny indsigt i processen med singlet fission og viser, at brugen af ​​singlet fission er en meget lovende vej til forbedrede solceller. Kemikere vil være i stand til at bruge resultaterne til at lave nye materialer, siger teamet fra Cambridge's Cavendish Laboratory, som i øjeblikket arbejder på måder at bruge disse løsninger i enheder.

"Vi startede med at gå tilbage til det grundlæggende; så på solenergiudfordringen fra et blåt himmelperspektiv, "sagde Dr. Brian Walker, en forsker i Cavendish Labs Optoelektronikgruppe, der ledede undersøgelsen.

"Singlet fission tilbyder en vej til at øge solcelleeffektiviteten ved hjælp af billige materialer. Vi er kun begyndt at forstå, hvordan denne proces fungerer, og efterhånden som vi lærer mere, forventer vi, at der kommer forbedringer i teknologien."

Holdet brugte en kombination af lasereksperimenter - som måler timing med ekstrem nøjagtighed - med kemiske metoder, der bruges til at studere reaktionsmekanismer. Denne dobbelte tilgang gjorde det muligt for forskerne at bremse fission og observere et vigtigt mellemliggende trin, der aldrig før er set.

"Meget få andre grupper i verden har laserapparater så alsidige som vores i Cambridge, " tilføjede Andrew Musser, en forsker, der samarbejdede i undersøgelsen. "Dette gjorde det muligt for os at komme et skridt tættere på at finde ud af præcis, hvordan singlet fission opstår."