Organisk tin i polymerer øger deres lysabsorbering

Forskere ved Christian-Albrechts-universitetet i Kiel (CAU), Tyskland, med succes integreret organisk tin i halvledende polymerer (plast) for første gang. Halvledende polymerer kan bruges, for eksempel, til absorption af sollys i solceller. Ved at indarbejde organisk tin i plasten, lys kan absorberes over en bred vifte af solspektret. Den nye polymer introduceres af projektleder professor Anne Staubitz og ph.d. -studerende Julian Linshöft i det berømte faglige tidsskrift " Angewandte Chemie, International udgave. "

I modsætning til elektriske ledere såsom metaller, halvledere er materialer, der kun leder elektricitet under visse omstændigheder, for eksempel under bestråling med lys. På grund af denne egenskab er halvledende plast (også kaldet halvledende polymerer) meget lovende materialer til den nyeste generation af solceller - organiske solceller. Sammenlignet med de klassiske uorganiske varianter, deres fremstilling kan være billigere, og de er meget lette materialer, hvilket kan være fordelagtigt for mange applikationer, for eksempel i transportsektoren. "Imidlertid, organiske solceller opnår stadig ikke de samme effektiviteter som uorganiske solceller baseret på silicium, så der er et stort behov for forskning på dette område ", Anne Staubitz fra Otto Diels-instituttet sætter sit forskningsområde i kontekst.

Et vigtigt kriterium for sådanne halvledere er, hvor effektivt de absorberer sollys for at konvertere det til elektricitet. Når sollys omdannes til elektricitet, negativt ladede elektroner i halvlederen løftes fra et energiniveau til et højere energiniveau. Denne proces efterlader et positivt ladet "hul" i det lavere energiniveau. Derefter perkolerer ladningerne separat til de forskellige elektriske poler:Der kan observeres en strøm. Sollys er i stand til at starte denne proces. Jo tættere disse energiniveauer er sammen, jo lettere er denne proces:Flere fotoner kan absorberes, og dermed kan der bruges mere solenergi. Polymerer, hvor dette hul ("båndgab") mellem energiniveauerne er lille, har en rød, i sjældne tilfælde endda en lilla farve.

Et mål med syntetisk organisk halvlederforskning er derfor at producere organiske polymerer med små energigab (eller båndgab). Imidlertid, udviklingen af ​​så stærkt lysabsorberende, dybt farvet plast er meget svært og derfor et meget aktivt område i aktuel forskning. "Med det nye materiale fra vores laboratorier, det er synligt for det blotte øje, at det lykkedes os at udvikle sådan plast! "siger Staubitz. Polymeren er dyb lilla i opløsning og næsten sort, når den forarbejdes til en tynd film.

For at opnå meget små energigab, forskerne fra Kiel brugte et nyt koncept. De inkorporerede organisk tin i form af cykliske molekyler ("stannoler") i carbon-polymer-rygraden. Tin tilhører den samme kemiske gruppe som kulstof og er derfor ens i nogle af dets egenskaber. De elektroniske egenskaber mellem stannoler og de tilsvarende kulstofkongener (cyclopentadienes) er imidlertid meget forskellige. "Tin er ikke bare et overvægtigt carbonatom", Anne Staubitz forklarer. "Det kan sænke de energiske niveauer i dets organiske forbindelser dramatisk." Men indtil nu, ingen var i stand til at bruge disse særlige egenskaber af tin i polymere materialer.

At samle disse individuelle molekylære byggesten (monomererne) sammen var en vanskelig opgave for forskerne:Monomererne indeholdt ikke kun den ønskede tin i selve stannolenhederne; organisk tin var også til stede i de reaktive koblingsgrupper, der var nødvendige for at forbinde monomerer sammen for at danne polymeren. Kun disse grupper skulle reagere, der henviser til, at stannolringene ikke bør angribes. Dette var vigtigt, fordi enhver uønsket sidereaktion ville føre til en betydelig forkortelse af polymerkæden, hvilket fører til en væsentlig forringelse af polymerens kvalitet. "Dette var et højrisikoprojekt, fordi koblingsreaktioner, der kan vælge mellem to forskellige organiske tinnegrupper, ikke var kendt inden for kemi før ", Siger Staubitz. Derfor, Ph.d. -studerende Julian Linshöft behøvede ikke bare at udvikle en selektiv, men en yderst selektiv tværkoblingsreaktion. "Den første vanskelighed var at finde de korrekte reaktivitetsmønstre for monomerer", Linshöft husker. "For det, der var hidtil ingen bly i den kemiske litteratur. "

Eksperimentet var en succes. Holdet var i stand til at forberede den ønskede plast ved hjælp af palladium som en reaktionskatalysator. Materialet kan let behandles til tynde film, som er skinnende sorte, og hvis anvendelse i solceller nu kan testes. Linshöft, hvis arbejde blev finansieret af et legat fra det tyske miljøfond, siger:"Endelig, vi er i stand til at forberede disse nye halvledende plastmaterialer. Deres fulde potentiale kan vurderes i den nærmeste fremtid. "