Dwa na jeden energii z fotonów: Jutro Super-Wydajne ogniwa słoneczne

W skręcaniu i obracaniu długich cząsteczek organicznych naukowcy z National Renewable Energy Laboratory (NREL) znaleźli obiecującą grupę materiałów dla przyszłych superwydajnych ogniw słonecznych.

W nowym artykule w Nature Chemistry naukowcy z NREL zademonstrowali, w jaki sposób starannie zaprojektowana cząsteczka może skutecznie podzielić energię przekazaną przez jeden foton na dwa stany wzbudzone i utrzymać je w separacji przez kilka mikrosekund — przez długi czas w skali molekularnej. Trzej autorzy — Nadia Korovina, Chris Chang i Justin Johnson — czerpali z ich zróżnicowanej wiedzy w dziedzinie chemii i modelowania komputerowego, aby zaprojektować tę nową cząsteczkę i dowiedzieć się, jak funkcjonuje.

Gdy foton uderza w odpowiedni materiał półprzewodnikowy, tworzy ekscyton — stan energii. W niektórych cząsteczkach organicznych ekscyton może się rozdzielić, tworząc dwa potrójne ekscytony. Ten proces „rozszczepienia singlet” może być potencjalnie wykorzystany do wydobycia większej ilości energii z każdego wchłoniętego fotonu niż w tradycyjnej komórce słonecznej. Jednakże, jeśli te dwa trojaczki spotkają się ze sobą, będą łączyć się i przestać istnieć. Dodatkowo, proces, w którym singlet dzieli się na dwa stabilne trojaczki często mogą stracić trochę energii do ciepła.

Idealna organiczna cząsteczka fotowoltaiczna rozwiązałaby oba te problemy, co oznacza, że skutecznie przekształca pojedyncze wycitony w trojaczki bez utraty ciepła i utrzymuje te trojaczki oddzielnie, aby nie mogły się ponownie połączyć. Zamiast szukać takiej cząsteczki, zespół NREL postanowił zaprojektować własną. Opierając się na wcześniejszych badaniach, zespół wiedział ogólnie, jakie rodzaje cząsteczek organicznych wykazały obietnicę. Ale musieli dokładnie określić, jak długo i złożone powinny być te cząsteczki, aby zapobiec rekombinacji triplet.

Mając to na uwadze, Korovina zsyntetyzowała serię cząsteczek o różnej długości, zbudowanych z łańcuchów chromoforów – pochłaniających światło molekularnych budulców.

„Najtrudniejsze było zaprojektowanie cząsteczek, w których osiągnięto równowagę energii singlet i triplet”, powiedział Korovina. „Po około roku prób i błędów, mieliśmy odpowiednie cząsteczki, z których byliśmy w stanie nauczyć się zawiłości procesu rozszczepienia singlet.”

Po dokładnym sortowaniu tych cząsteczek według wielkości, zespół odkrył, że łańcuch co najmniej trzech chromoforów jest potrzebny do skutecznego wyizolowania dwóch potrójnych ekcytonów.

Aby dowiedzieć się dokładnie, w jaki sposób łańcuch chromoforów izolował dwa trojaczki, Johnson i Korovina zwrócili się do Changa, naukowca obliczeniowego z doświadczeniem w biochemii. „Widzę modelowania jako pomoc w odpowiedzi na dwa duże pytania”, powiedział Chang. „Jak to działa w oparciu o podstawowe zasady? A jak to wygląda, kiedy to robi?”

Tworząc, a następnie udoskonalając model poruszania się i interakcji cząsteczek, zespół odkrył, że ruch skręcający daje cząsteczkom cechy potrzebne do wyizolowania trojaczków. Łańcuch molekularny jest zwykle dyskietki i elastyczne, gdy nie pod oświetleniem; ale kiedy absorbuje foton, łańcuch skręca się wokół jego osi centralnej i początkowo usztywnia się, co powoduje kształt, który ułatwia tworzenie się dwóch trojaczków. Późniejsze skręcanie, które następuje po zakończeniu początkowego procesu, pomaga przestrzennie oddzielić dwie trojaczki, wydłużając ich żywotność.

Łącząc podejścia eksperymentalne i modelujące, zespół był nie tylko w stanie opracować obiecującą cząsteczkę pochłaniającą energię, ale także szczegółowo wyjaśnić jej funkcję. Teraz, gdy podstawowy mechanizm jest dobrze poznany, przyszły rozwój i stosowanie podobnych cząsteczek w wysokosprawnych ogniwach słonecznych lub innych systemach fotolektrochemicznych powinno być łatwiejsze.