Molekylær arkitektur ser lyset

Økologisk solcelle har et stort potentiale for storskala, omkostningseffektiv solenergiproduktion. En udfordring, der skal overvindes, er den dårlige rækkefølge af de tynde lag på toppen af ​​elektroderne. Ved at bruge selvsamling på atomisk flad, gennemsigtige underlag, et team af videnskabsmænd ved det tekniske universitet i München (TUM) har konstrueret bestilte monolag af molekylære netværk med fotovoltaiske reaktioner. Resultaterne åbner op for spændende muligheder for bottom-up fremstilling af optoelektroniske enheder med molekylær præcision.

Naturen er uovertruffen, når det kommer til selvsamling af komplekse, højtydende molekylært maskineri til lysabsorption, exciton eller ladningsadskillelse og elektronoverførsel. Molekylær nanoteknologer har længe drømt om at efterligne sådanne ekstraordinære biomolekylære arkitekturer og omkable dem til at producere billig elektricitet.

Nu forskere fra afdelingerne for fysik og kemi ved det tekniske universitet i München (TUM), fra Max-Planck Institute for Polymer Research (Mainz, Tyskland) og Université de Strasbourg (Frankrig) har modificeret farvestofmolekyler på en sådan måde, at de kan tjene som byggesten til selvsamlende molekylære netværk.

På de atomare flade overflader af et grafenbelagt diamantsubstrat samler molekylerne sig selv i målarkitekturen på en måde, der ligner proteiner og DNA-nanoteknologi. Den eneste drivkraft stammer fra de konstruerede supramolekylære interaktioner via hydrogenbindinger. Som forventet, det molekylære netværk producerer en fotostrøm, når det udsættes for lys.

Fra kunst til anvendelse

"I lang tid blev konstruerede selvsamlede molekylære arkitekturer set på som kunstfærdige, " siger PD Dr. Friedrich Esch, en hovedforfatter af undersøgelsen. "Med denne publikation præsenterer vi for første gang en seriøs praktisk implementering af denne teknologi."

"I konventionelle organiske solceller er forbedringen af ​​molekylær orden stadig en udfordring. I modsætning hertil, den nanoteknologiske værktøjskassen giver os mulighed for et atomært præcist layout af de konstituerende komponenter a priori, " siger Dr. Carlos-Andres Palma, som var med til at supervisere undersøgelsen. "Muligheden for fuld fysisk-kemisk kontrol af komponenterne giver os yderligere sætskruer til funktionel optimering."

Forskerne håber nu at opskalere enhedskonfigurationen og certificere den fotovoltaiske respons under standardbetingelser. "Interkalation af selvsamlede farvestoffer mellem stakke af todimensionelle elektroder som grafen, åbner muligheden for nem opskalering til effektive solcelle-monolagselementer", hævder Dr. Palma "Dette vil sætte vores arbejde på solcelleteknologikortet".

Perfekt match mellem overfladekemi og fysik

Forskerne brugte terrylen-diimid-molekyler som fotoaktive farvestoffer. Netværket dannes, når de aflange terrylenmolekyler forbinder sig med trivalent melamin. Ved at vælge passende sidegrupper til terrylendiimid bestemmer forfatterne af undersøgelsen, hvilke arkitekturer der kan dannes.

"Dette arbejde er et glimrende eksempel på det tværfaglige samarbejde, vi søger at indlede med institutionen for Catalysis Research Center:et perfekt match mellem kemi og fysik, " siger professor Ulrich Heiz, direktør for TUM Catalysis Research Center.