Græsstrå inspirerer til fremskridt inden for organiske solceller

Ved at bruge en bio-efterlignende analog af en af ​​naturens mest effektive lys-høstende strukturer, græsstrå, et internationalt forskerhold ledet af Alejandro Briseno fra University of Massachusetts Amherst har taget et stort skridt i udviklingen af ​​længe søgt polymerarkitektur for at øge effektkonverteringseffektiviteten af ​​lys til elektricitet til brug i elektroniske enheder.

Briseno, med kolleger og kandidatstuderende ved UMass Amherst og andre ved Stanford University og Dresden University of Technology, Tyskland, rapport i det aktuelle nummer af Nano bogstaver at ved at bruge enkeltkrystallinske organiske nanopillarer, eller "nanogræs, "de fandt en måde at komme uden om blindgyder, eller diskontinuerlige veje, der udgør en alvorlig ulempe ved brug af blandede systemer kendt som bulk heterojunction donor-acceptor, eller positiv-negativ (p-n), knudepunkter til høst af energi i organiske solceller.

Brisenos forskningsgruppe er en af ​​meget få i verden, der designer og dyrker organiske enkeltkrystal p-n-kryds. Han siger, "Dette arbejde er et stort fremskridt inden for organiske solceller, fordi vi har udviklet, hvad feltet betragter som 'Holy Grail'-arkitekturen til at høste lys og konvertere det til elektricitet." Gennembruddet inden for morfologikontrol burde have udbredt brug i solceller, batterier og vertikale transistorer, tilføjer han.

Briseno forklarer, "I årtier har videnskabsmænd og ingeniører gjort en stor indsats i at forsøge at kontrollere morfologien af ​​p-n-krydsgrænseflader i organiske solceller. Vi rapporterer her, at vi endelig har udviklet den ideelle arkitektur, der består af organiske enkeltkrystal vertikale nanopillarer." Nanopiller er nanoskala, konstruerede overflader med milliarder af organiske stolper, der ligner græsstrå, og ligesom græsstrå er de særligt effektive til at omdanne lys til energi.

Fremskridtet løser ikke kun problemet med blindgyder eller ukontinuerlige veje, der giver ineffektiv energioverførsel, men det løser også nogle ustabilitetsproblemer, hvor materialerne i blandede blandinger af polymerer har en tendens til at miste deres faseseparerede adfærd over tid, nedbrydende energioverførsel, siger polymerkemikeren. Også, materialer i blandede systemer har en tendens til i bedste fald at være amorfe til semi-krystallinske, og "dette er en ulempe, da ladningstransport er mere effektiv i højkrystallinske systemer."

Specifikt, at kontrollere den molekylære orientering og pakning ved elektrodeoverflader, holdet kombinerede viden om grafen og organiske krystaller. Selvom det var svært, Briseno siger, det lykkedes dem at få de nødvendige forbindelser til at stable som mønter. Stablede forbindelser er ideelle til ladningstransport, da denne konfiguration har den største ladningstransportanisotropi. Ladningstransportanisotropi er et fænomen, hvor elektroner flyder hurtigere langs en bestemt krystallografisk retning på grund af tætte molekyle-molekyle-interaktioner. I dette tilfælde, anisotropien er langs nanopillaren, vinkelret på underlaget.

Briseno siger, "Den største udfordring ved at producere denne arkitektur var at finde det passende substrat, der ville gøre det muligt for molekylerne at stable vertikalt. Vi havde udnyttet stort set alle mulige substrater, indtil det endelig lykkedes med grafen, " tilføjer han, hvilket skete ved et uheld, da en bachelor valgte det forkerte substrat at dyrke krystaller på.

"I over en uge dyrkede eleven lodrette krystaller, og vi var ikke engang klar over det, før vi afbildede overfladen af ​​substratet med et scanningselektronmikroskop. Vi var chokerede over at se små krystaller stå oprejst! Vi optimerede i sidste ende betingelserne og bestemte mekanisme for krystallisation, " tilføjer polymerkemikeren.

Lodrette nanopiller er ideelle geometrier til at omgå disse udfordringer, Briseno siger, "fordi ladningsadskillelse/-opsamling er mest effektiv vinkelret på plastikanordningen. I dette tilfælde, vores nanopiller minder meget om nanogræs. Vores systemer deler lignende egenskaber for græs, såsom højdensitets array-system, vertikale orienteringer og evnen til effektivt at omdanne lys til energi."

Teknikken er enkel, billig og anvendelig til et bibliotek af donor- og acceptorforbindelser, der er kommercielt tilgængelige, bemærker han. "Vi forestiller os, at vores nanopillar solceller vil appellere til low-end energiapplikationer såsom gadgets, legetøj, sensorer og engangsenheder med kort levetid."