Ett team på BESSY II har undersökt hur olika järnkomplexa föreningar bearbetar energi från infallande ljus. De kunde visa varför vissa föreningar har potential att omvandla ljus till elektrisk energi. Resultaten är viktiga för utvecklingen av organiska solceller. Studien har nu publicerats i tidskriften Fysikalisk kemi Kemisk fysik .

Övergångsmetallkomplex har viktiga egenskaper:Ett element från gruppen övergångsmetaller sitter i centrum. De yttre elektronerna i övergångsmetallatomen är belägna i klöverbladsliknande förlängda d-orbitaler som lätt kan påverkas av extern excitation. Vissa övergångsmetallkomplex fungerar som katalysatorer för att påskynda vissa kemiska reaktioner, och andra kan till och med omvandla solljus till elektricitet. Den välkända färgämnet solcell som utvecklades av Michael Graetzel (EPFL) på 1990-talet är baserad på ett ruteniumkomplex.

Dock, det har ännu inte varit möjligt att ersätta den sällsynta och dyra övergångsmetallen rutenium med ett billigare grundämne, såsom järn. Detta är anmärkningsvärt, eftersom samma antal elektroner finns på utsträckta yttre d-orbitaler av järn. Dock, excitation med ljus från det synliga området frisätter inte långlivade laddningsbärare i de flesta av de hittills undersökta järnkomplexföreningarna.

Ett team på BESSY II har nu undersökt denna fråga mer i detalj. Gruppen som leds av prof. Alexander Föhlisch har systematiskt bestrålat järnkomplexa föreningar i lösning med hjälp av mjukt röntgenljus. De kunde mäta hur mycket energi av detta ljus som absorberades av molekylerna med en metod som kallas resonant oelastisk röntgenspridning, eller RIXS. De undersökte komplex där järnatomen var omgiven antingen av bipyridinmolekyler eller cyangrupper (CN), samt blandformer där järncentrum är bundet till en bipyridin och fyra cyangrupper vardera.

Teammedlemmarna arbetade i skift i två veckor för att få de nödvändiga uppgifterna. Mätningarna visade att de blandade formerna, som hittills knappast hade undersökts, är särskilt intressanta:I det fall där järn är omgivet av tre bipyridinmolekyler eller sex cyangrupper (CN), optisk excitation leder endast till kortvarig frigöring av laddningsbärare, eller till ingen alls. Situationen förändras bara när två av cyanogrupperna ersätts med en bipyridinmolekyl. "Då kan vi se med den mjuka röntgenexcitationen hur järnets 3d-orbitaler delokaliseras till cyangrupperna, samtidigt som bipyridinmolekylen kan ta upp laddningsbäraren, " förklarar Raphael Jay, första författare till studien och vars doktorandarbete är inom detta område.

Resultaten visar att billiga övergångsmetallkomplex också kan vara lämpliga för användning i solceller – om de är omgivna av lämpliga molekylgrupper. Så här finns fortfarande ett rikt fält för materialutveckling.