Undersøgelse finder, at nanorør-halvledere er velegnede til PV-systemer

Forskere ved Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL) opdagede enkeltvæggede kulstof-nanorør-halvledere kunne være gunstige for solcelleanlæg, fordi de potentielt kan omdanne sollys til elektricitet eller brændstoffer uden at miste meget energi.

Forskningen bygger på det nobelprisvindende arbejde af Rudolph Marcus, som udviklede et grundlæggende princip inden for fysisk kemi, der forklarer den hastighed, hvormed en elektron kan bevæge sig fra et kemikalie til et andet. Marcus formuleringen, imidlertid, er sjældent blevet brugt til at studere fotoinduceret elektronoverførsel for nye organiske halvledere såsom enkeltvæggede carbon nanorør (SWCNT), der kan bruges i organiske PV-enheder.

I organiske PV-enheder, efter at en foton er absorberet, ladninger (elektroner og huller) skal generelt adskilles over en grænseflade, så de kan leve længe nok til at blive opsamlet som elektrisk strøm. Den elektronoverførselsbegivenhed, der producerer disse adskilte ladninger, kommer med et potentielt energitab, da de involverede molekyler skal strukturelt omorganisere deres bindinger. Dette tab kaldes reorganiseringsenergi, men NREL-forskere fandt, at der gik lidt energi tabt, når SWCNT-halvledere blev parret med fulleren-molekyler.

"Det, vi finder i vores undersøgelse, er, at dette særlige system - nanorør med fullerener - har en usædvanlig lav reorganiseringsenergi, og nanorørene selv har sandsynligvis meget, meget lav reorganiseringsenergi, " sagde Jeffrey Blackburn, en senior videnskabsmand ved NREL og medforfatter til papiret "Tuning the driving force for exciton dissociation in single-walled carbon nano tube heterojunctions."

Artiklen udkommer i det nye nummer af tidsskriftet Naturkemi . Dets andre medforfattere er Rachelle Ihly, Kevin Mistry, Andrew Ferguson, Obadiah Reid, og Garry Rumbles fra NREL, og Olga Boltalina, Tyler Clikeman, Bryon Larsen, og Steven Strauss fra Colorado State University.

Organiske PV-enheder involverer en grænseflade mellem en donor og en acceptor. I dette tilfælde, SWCNT fungerede som donor, da det donerede en elektron til acceptoren (her, fulleren). NREL-forskerne samarbejdede strategisk med kolleger ved Colorado State University for at drage fordel af ekspertise på hver institution i at producere donorer og acceptorer med veldefinerede og meget justerbare energiniveauer:halvledende SWCNT-donorer ved NREL og fullerenacceptorer på CSU. Dette partnerskab gjorde det muligt for NRELs forskere at fastslå, at elektronoverførselshændelsen ikke kom med et stort energitab forbundet med omorganisering, hvilket betyder, at solenergi kan høstes mere effektivt. Af denne grund, SWCNT-halvledere kunne være gunstige til PV-applikationer.