Ett solenergimaterial som är anmärkningsvärt hållbart och prisvärt är tyvärr också oanvändbart om det knappt genererar el, sålunda hade många forskare övergett framväxande organisk solteknik. Men på sistone, en förändring i den underliggande kemin har ökat uteffekten, och en ny studie har avslöjat kontraintuitiva justeringar som gör den nya kemin framgångsrik.

Skiftet är från "fulleren" till "icke-fullerenacceptorer" (NFAs), villkor som beskrivs nedan, och inom fotovoltaisk elproduktion, acceptorn är en molekyl med potential att vara för elektroner vad en catcher är för en baseboll. Motsvarande donatormolekyler "pitch" elektroner till acceptor-"fångare" för att skapa elektrisk ström. Den högt citerade kemisten Jean-Luc Brédas vid Georgia Institute of Technology har främjat tekniken och även lett den nya studien.

"NFA är komplexa bestar och gör saker som dagens kiselsolteknik inte gör. Du kan forma dem, gör dem halvtransparenta eller färgade. Men deras stora potential ligger i möjligheten att finjustera hur de frigör och flyttar elektroner för att generera elektricitet, sa Brédas, en Regents Professor vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry.

Vinner på kisel

Bara under de senaste fyra åren, tuning NFA kemi har ökat organisk solcellsteknik från att initialt omvandla endast 1 % av solljuset till elektricitet till 18 % omvandling i de senaste experimenten. Som jämförelse, högkvalitativa solcellsmoduler av silikon som redan finns på marknaden omvandlar cirka 20 %.

"Teorin säger att vi borde kunna nå över 25% omvandling med organisk NFA-baserad solenergi om vi kan kontrollera energiförlusten med hjälp av morfologin, " sa Tonghui Wang, en postdoktor i Brédas labb och första författare till studien.

Morfologi, formerna molekyler tar i ett material, är nyckeln till NFAs solenergitekniks ökade effektivitet, men hur det fungerar på molekylär nivå har varit ett mysterium. Den nya studien modellerade noggrant små justeringar till molekylära former och beräknade motsvarande energiomvandling i en gemensam NFA-elektrondonator/acceptor-parning.

Förbättrad prestanda kom inte från tweaks till den metaforiska handen på fångaren eller från donatorns pitchande hand utan från något som liknar positionerna för fångarens fötter. Vissa positioner anpassade "kroppen" av acceptorn bättre till elektrondonatorns.

"Fötterna" var en liten komponent, en metoxigrupp, på mottagaren, och två positioner av fyra möjliga positioner den tog ökade omvandlingen av ljus till elektricitet från 6 % till 12 %. Brédas och Wang publicerade sin studie, Organiska solceller baserade på icke-fulleren små molekylacceptorer:påverkan av substitutionsposition , den 20 november, 2019, i journalen Materia . Forskningen finansierades av Office of Naval Research.

(Kemikalieparet donator/acceptor var PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, eller -4, med -2 ​​och -3 som visar överlägsen elproduktion. Se citatet längst ner för ett fullständigt kemiskt namn.)

Klumpiga kiselceller

Säljbara NFA-baserade solceller kan ha många fördelar jämfört med kisel, som kräver brytning av kvartsgrus, smälter det som järn, renar den som stål, sedan skära och bearbeta den. Däremot organiska solceller börjar som billiga lösningsmedel som kan tryckas på ytor.

Kiselceller är vanligtvis styva och tunga och försvagas av värme och lätt stress, medan NFA-baserade solceller är lätta, flexibel, och stresstålig. De har också mer komplexa fotoelektriska egenskaper. I NFA-baserade fotoaktiva lager, när fotoner exciterar elektroner ur donatormolekylernas yttre banor, elektronerna dansar runt elektronhålen de har skapat, ställa in dem för en skräddarsydd överlämning till acceptanter.

"Kisel slår ut en elektron ur bana när fotoner exciterar den förbi en tröskel. Den är på eller av; antingen får du en ledningselektron eller ingen ledningselektron, sa Brédas, som också är Vasser Woolley Chair in Molecular Design på Georgia Tech. "NFA är mer subtila. En elektrondonator sträcker ut en elektron, och elektronacceptorn drar bort den. Möjligheten att justera morfologin gör elektronöverlämningen avstämbar."

Inte en fulleren

Som namnet säger, icke-fullerenacceptorer är inte fullerener, som är rena kolmolekyler med ganska likformiga och geometriska strukturer av upprepade femkantiga eller hexagonala element. Nanorör, grafen, och sot är exempel på fullerener, som är uppkallade efter arkitekten Buckminster Fuller, som var känd för att designa geodetiska kupoler.

Fullerener är mer räfflade i molekylstruktur och avstämningsförmåga än icke-fullerener, som är mer fritt utformade för att vara diskettiga och böjbara. NFA-baserade givare och acceptorer kan svepa runt varandra som exakta virvlar av choklad och vaniljsmet i en Bundt-kaka, ger dem fördelar utöver elektrondonerande och -accepterande – som bättre molekylär packning i ett material.

"En annan punkt är hur acceptormolekylerna är anslutna till varandra så att den accepterade elektronen har en ledande väg till en elektrod, " sa Brédas. "Och det gäller givarna, för."

Som i vilken solcell som helst, ledningselektroner behöver en väg ut ur det fotovoltaiska materialet in i en elektrod, och det måste finnas en returväg till den motsatta elektroden för att ankommande elektroner ska fylla hål som avgående elektroner lämnat efter sig.

Mycket effektfulla citat

Brédas utmärkelser är många, men han har särskilt fått uppmärksamhet för sin Google Scholar h-index poäng, en beräkning av effekten av en forskares publikationer. Bredas nuvarande poäng på 146 placerar honom sannolikt bland de 700 mest inflytelserika publicerade forskarna i modern global historia.

Han har varit en särskilt känd ledare inom fotoelektrisk och halvledarforskning baserad på prisvärd och praktisk organisk kemi.