Selvsamlende nanomateriale giver vej til mere effektiv, overkommelig udnyttelse af solenergi

Solens stråler er rigeligt, ren energikilde, der bliver stadig vigtigere, efterhånden som verden arbejder på at skifte væk fra strømkilder, der bidrager til global opvarmning. Men de nuværende metoder til høst af solenergi er dyre og ineffektive - med en teoretisk effektivitetsgrænse på 33 procent. Nye nanomaterialer udviklet af forskere ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved The Graduate Center ved City University of New York (CUNY) kunne give en vej til mere effektiv og potentielt overkommelig høst af solenergi.

Materialerne, skabt af forskere med ASRC's Nanoscience Initiative, bruge en proces kaldet singlet fission til at producere og forlænge levetiden af ​​høstbare lys-genererede elektroner. Opdagelsen er beskrevet i et nyligt offentliggjort papir i Journal of Physical Chemistry . Tidlig forskning tyder på, at disse materialer kunne skabe mere brugbare ladninger og øge den teoretiske effektivitet af solceller op til 44 procent.

"Vi modificerede nogle af molekylerne i almindeligt anvendte industrielle farvestoffer for at skabe selvsamlende materialer, der letter et større udbytte af høstbare elektroner og forlænger elektronernes levetid i citeret tilstand, giver os mere tid til at samle dem i en solcelle, " sagde Andrew Levine, hovedforfatter af papiret og en ph.d. studerende på The Graduate Center.

Selvsamlingsprocessen, Levine forklarede, får farvestofmolekylerne til at stables på en bestemt måde. Denne stabling gør det muligt for farvestoffer, der har absorberet solfotoner, at koble og dele energi med - eller "ophidse" - nærliggende farvestoffer. Elektronerne i disse farvestoffer afkobles så, så de kan opsamles som høstbar solenergi.

Metode og fund

At udvikle materialerne, forskere kombinerede forskellige versioner af to ofte anvendte industrielle farvestoffer - diketopyrrolopyrrol (DPP) og rylen. Dette resulterede i dannelsen af ​​seks selvsamlende overbygninger, som videnskabsmænd undersøgte ved hjælp af elektronmikroskopi og avanceret spektroskopi. De fandt ud af, at hver kombination havde subtile forskelle i geometri, der påvirkede farvestoffernes ophidsede tilstande, forekomsten af ​​singlet fission, og udbyttet og levetiden af ​​høstbare elektroner. Betydning

"Dette arbejde giver os et bibliotek af nanomaterialer, som vi kan studere for at høste solenergi, " sagde professor Adam Braunschweig, ledende forsker på undersøgelsen og en lektor med ASRC Nanoscience Initiative og Kemiafdelingerne på Hunter College og The Graduate Center. "Vores metode til at kombinere farvestofferne til funktionelle materialer ved hjælp af selvsamling betyder, at vi omhyggeligt kan justere deres egenskaber og øge effektiviteten af ​​den kritiske lys-høstproces."

Materialernes evne til selv at samle kan også forkorte tiden til at skabe kommercielt levedygtige solceller, sagde forskerne, og vise sig at være mere overkommelige end de nuværende fremstillingsmetoder, som er afhængige af den tidskrævende proces med molekylær syntese.

Forskerholdets næste udfordring er at udvikle en metode til at høste de solladninger, der skabes af deres nye nanomaterialer. I øjeblikket, de arbejder på at designe et rylen-molekyle, der kan acceptere elektronen fra DPP-molekylet efter singlet-fissionsprocessen. Hvis det lykkes, disse materialer ville både initiere singlet fissionsprocessen og lette ladningsoverførsel til en solcelle.