Vid vridning och vridning av långa organiska molekyler, Forskare från National Renewable Energy Laboratory (NREL) har hittat en lovande grupp av material för morgondagens supereffektiva solceller.

I en ny artikel i Nature Chemistry, NREL-forskare visade hur en noggrant designad molekyl effektivt kan dela upp energin från en foton i två exciterade tillstånd och hålla dem åtskilda i flera mikrosekunder - en lång tid i molekylär skala. De tre författarna – Nadia Korovina, Chris Chang, och Justin Johnson – utnyttjade sin mångsidiga expertis inom kemi och datormodellering för att designa denna nya molekyl och lära sig hur den fungerar.

När en foton träffar ett lämpligt halvledarmaterial, det skapar en exciton – ett exciterat energitillstånd. I vissa organiska molekyler, excitonen kan delas, bildar två triplettexcitoner. Denna process av "singlet fission" skulle potentiellt kunna användas för att extrahera mer energi från varje absorberad foton än i en traditionell solcell. Dock, om dessa två trillingar möter varandra, de kommer att återförenas och upphöra att existera. Dessutom, den process genom vilken en singlet delar sig i två stabila tripletter kan ofta förlora en del energi för att värma.

En idealisk organisk fotovoltaisk molekyl skulle ta itu med båda dessa problem – vilket innebär att den effektivt omvandlar singlett-excitoner till tripletter utan värmeförlust och håller dessa tripletter åtskilda så att de inte kan rekombinera. Istället för att söka efter en sådan molekyl, NREL-teamet bestämde sig för att designa sina egna. Utifrån tidigare forskning, teamet visste i allmänhet vilka typer av organiska molekyler som visade lovande. Men de behövde bestämma exakt hur långa och komplexa dessa molekyler skulle vara för att förhindra triplettrekombination.

Med det målet i åtanke, Korovina syntetiserade en serie molekyler av varierande längd, alla byggda av kedjor av kromoforer – ljusabsorberande molekylära byggstenar.

"Den svåraste delen var att designa molekyler där den fina balansen mellan singlett- och triplettenergier uppnåddes, ", sa Korovina. "Efter ungefär ett år av försök och misstag, vi hade de rätta molekylerna från vilka vi kunde lära oss krångligheterna med singletfissionsprocessen."

Efter att noggrant sorterat dessa molekyler efter storlek, teamet fann att en kedja av minst tre kromoforer behövs för att framgångsrikt isolera två triplettexcitoner.

För att ta reda på exakt hur kedjan av kromoforer isolerade de två trillingarna, Johnson och Korovina vände sig till Chang, en beräkningsforskare med bakgrund i biokemi. "Jag ser att modellering hjälper till att svara på två stora frågor, ", sa Chang. "Hur fungerar det baserat på underliggande principer? Och hur ser det ut när det gör det?"

Genom att skapa och sedan förfina en modell av hur molekylerna rör sig och interagerar, teamet upptäckte att en vridningsrörelse ger molekylerna de egenskaper som behövs för att isolera trillingarna. Molekylkedjan är vanligtvis floppig och flexibel när den inte är under belysning; men när den absorberar en foton, kedjan vrider sig runt sin centrala axel och förstyvar, vilket resulterar i en form som underlättar bildandet av två trillingar. Den efterföljande vridningen som sker efter att den initiala processen är klar hjälper till att rymdsskilja de två trillingarna, förlänger deras livslängd.

Genom att kombinera experimentella och modellerande metoder, teamet kunde inte bara utveckla en lovande energiabsorberande molekyl, men också för att förklara dess funktion i detalj. Nu när den grundläggande mekanismen är väl förstått, framtida utveckling och användning av liknande molekyler i högeffektiva solceller eller andra fotoelektrokemiska system bör vara lättare.

"Nya upptäckter som denna är möjliga utan att korsa discipliner, "Johnson sa, "men att kombinera expertis som vi gjorde kan ge en mycket större effekt."