Forskare vid Columbia University har utvecklat ett sätt att utnyttja mer kraft från singletfission för att öka effektiviteten hos solceller, tillhandahålla ett verktyg för att driva på utvecklingen av nästa generations enheter.

I en studie publicerad denna månad i Naturkemi , teamet beskriver designen av organiska molekyler som kan generera två excitoner per foton av ljus, en process som kallas singlet fission. Excitonerna produceras snabbt och kan leva mycket längre än de som genereras från deras oorganiska motsvarigheter, vilket leder till en förstärkning av el genererad per foton som absorberas av en solcell.

"Vi har utvecklat en ny designregel för klyvningsmaterial, sa Luis Campos, en docent i kemi och en av tre huvudutredare på studien. "Detta har lett oss till att utveckla de mest effektiva och tekniskt användbara intramolekylära singletklyvningsmaterialen hittills. Dessa förbättringar kommer att öppna dörren för mer effektiva solceller."

Alla moderna solpaneler fungerar med samma process - en foton av ljus genererar en exciton, Campos förklarade. Excitonen kan sedan omvandlas till elektrisk ström. Dock, det finns några molekyler som kan implementeras i solceller som har förmågan att generera två excitoner från en enda foton – en process som kallas singlet fission. Dessa solceller utgör grunden för nästa generations enheter, som fortfarande är i spädbarnsåldern. En av de största utmaningarna med att arbeta med sådana molekyler, fastän, är att de två excitonerna "lever" under mycket korta tidsperioder (tiotals nanosekunder), vilket gör det svårt att skörda dem som en form av elektricitet.

I den aktuella studien, finansieras delvis av Office of Naval Research, Campos och kollegor designade organiska molekyler som snabbt kan generera två excitoner som lever mycket längre än de senaste systemen. Det är ett framsteg som inte bara kan användas i nästa generations solenergiproduktion, men också i fotokatalytiska processer inom kemi, sensorer, och bildbehandling, Campos förklarade, eftersom dessa excitoner kan användas för att initiera kemiska reaktioner, som sedan kan användas av industrin för att tillverka läkemedel, plast, och många andra typer av konsumentkemikalier.

"Intramolekylär singletfission har visats av vår grupp och andra, men de resulterande excitonerna genererades antingen mycket långsamt, annars skulle de inte vara särskilt länge, " Campos sade. "Detta arbete är det första som visar att singlet fission snabbt kan generera två excitoner som kan leva under mycket lång tid. Detta öppnar dörren för att i grunden studera hur dessa excitoner beter sig när de sitter på enskilda molekyler, och också för att förstå hur de effektivt kan användas i enheter som drar nytta av ljusförstärkta signaler."

Teamets designstrategi bör också visa sig användbar inom separata områden av vetenskaplig studie och ha många andra ännu ofattbara tillämpningar, han lade till.