Med tanke på klimatförändringarna och energireformens behov, det har blivit särskilt viktigt att avsevärt öka effektiviteten hos organiska solceller. I en process som kallas 'singlet fission', en foton exciterar samtidigt två elektroner. Om denna effekt kan utnyttjas, det kan mycket väl vara möjligt att dramatiskt öka kraften från solceller. Fysiker och kemister vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) som samarbetar i ett internationellt gemensamt projekt med Northwestern University i USA har framgångsrikt arbetat fram alla avgörande mellanfaser i singlet fission processen och har lyckats beskriva mekanismen i detalj för första gången. Resultaten har publicerats i den ledande specialistjournalen Naturkommunikation .
Molekyler som stimuleras av ljus når en högre excitationsnivå; detta innebär att motsvarande energi kan användas i organiska solceller för att generera en elektrisk ström. När en lätt partikel kolliderar med och absorberas av en molekyl, det är möjligt att den överskottsenergi som skapas i den ena molekylen kan stimulera en elektron i en andra molekyl i dess omedelbara närhet. Som ett resultat, båda dessa molekyler skulle innehålla en elektron i ett högre excitationstillstånd. Denna process kallas singlet fission (SF) och det kan, i bästa fall, leda till en ökning av solcellens prestanda med 50%. Dock, den genererade energin behålls inte av molekyler för alltid och molekylerna kommer så småningom att återgå till sitt tidigare tillstånd. Principen bakom SF har varit känd i 50 år, men dess exakta mekanism är fortfarande inte helt förstått. Det är därför forskarna baserade i Erlangen har analyserat varje mellanliggande fas mellan molekylstimulering och återgång till ursprungligt tillstånd.
Två metoder används för att identifiera enskilda faser
I samarbete med internationella forskare, teamet vid FAU under professor Dr. Dirk M. Guldi (innehavare av ordföranden för fysikalisk kemi I) använde två olika metoder för att identifiera de enskilda faserna. Eftersom alla processer som sker inuti en molekyl efter dess excitation sker med mycket höga hastigheter, spektroskopiska metoder måste användas för att ge tidsupplösta insikter i de enskilda faserna efter stimulering.
Med hjälp av spektroskopi, forskarna tittade först på hur molekylernas absorptionsegenskaper förändrades under inaktiveringsfasen. Vissa övergångsfaser som kallas intermediärer lämnar efter sig ”fingeravtryck” som gör det möjligt att tydligt identifiera dessa. Några mellanprodukter, dock, har identiska absorptionsegenskaper, varför det är nödvändigt att använda en andra metod för analys - i detta fall elektronspinnresonansspektroskopi. Detta beror på att några av mellanprodukterna skiljer sig åt när det gäller snurrningen av deras stimulerade elektroner. Genom att använda dessa två metoder i tandem, FAU -teamet lyckades framgångsrikt identifiera alla mellanprodukter och utveckla en standardiserad modell av vad som händer i SF. Forskarna hoppas att resultaten av deras arbete kommer att göra det möjligt att ta ett mer riktat tillvägagångssätt för molekyldesign som i sin tur gör produktionen möjlig till en solcell som fungerar på grundval av singlet fission principen.
