Att skapa nästa generation av solceller och sensorer kräver en närmare titt på hur ljus interagerar med ljuskänsliga material. Forskning vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory främjar denna förståelse mot en framtid med flexibel, högeffektiva solceller och banbrytande optiska verktyg.

Att designa ny teknik som utnyttjar ljus med hjälp av organiska material, forskare undersöker de grundläggande molekylära funktionerna i spel. Till exempel, användningen av speciellt utformade kolbaserade komponenter skulle möjliggöra flexibla, tunnfilmssolceller, eller solceller. Den här typen av material kan möjliggöra allt från tonade strömgenererande fönster till bärbara laddare, expanderar solenergin långt utöver traditionella, silikonbaserade takpaneler. Dock, mycket återstår att upptäcka om vilka byggstenar för dessa organiska solceller som kommer att ge hög effektivitet, hållbarhet och låg kostnad.

"På vissa sätt, solceller idag är som den tidiga bilindustrin, sade Richard Schaller, en fysikalisk kemist vid Argonne och professor vid Northwestern University. "Ett dussintal eller fler olika teknik- och materialmetoder syftar alla till att utnyttja solenergi, men de riktar sig till flera identifierade marknader, samt svara på olika kostnads- och prestandadrivkrafter."

Sådana material spänner över tjocka, kristallina oorganiska ämnen av hög renhet som kisel till låg kostnad, mycket tunnare organisk plast och små molekyler som behöver mindre initial energitillförsel för att tillverka.

Hjärtat i organiska solceller är sammansatt av separata regioner som kallas elektrondonatorer och elektronacceptorer. När fotoner från solljus träffar dessa regioner, fotonerna avsätter energi i negativt laddade elektroner, som exciteras och producerar positivt laddade hål där elektronerna fanns. Dessa elektron-hål-par håller ihop på grund av sin motsatta laddning och kallas excitoner. När excitoner möter gränssnittet mellan donator och acceptor, de kan delas, underlättar separat överföring av elektroner som rör sig mot en elektrod och hål mot den andra, genererar en ström.

Sfärisk, ihåliga kolmolekyler som kallas fullerener gör stora acceptorer i en cell, men fullerener har nackdelar, sa Lin Chen, en Distinguished Fellow vid Argonne och kemiprofessor vid Northwestern University.

"Fulleren är svårt att syntetisera, och dyrare i vikt än guld, " sa hon. "Det har varit en pågående process att hitta icke-fullerenacceptorer som är kostnadseffektiva och robusta för långvariga organiska solceller."

Chen, Schaller och kollegor studerar perylendiimid (PDI) derivat, som är potentiella alternativ till fullerener baserade på en klass av billiga pigment. I en nyligen genomförd studie, forskarna undersökte sex varianter av PDI syntetiserade av Luping Yu, en studie medförfattare och kemiprofessor vid University of Chicago, och hans kollegor. Målet var att se hur förändringar i molekylstrukturen påverkade PDI:s ljusomvandlingseffektivitet.

Dessa PDI-molekyler är sammanlänkade till par som kallas dimerer för att förbättra deras elektroniska kommunikation med donatormaterial. Studien jämförde aktiviteter bland dessa dimerer med länkar av olika längd och styvhet. Forskningen, som publicerades i tidskriften Kemivetenskap i juni, 2020, kombinerade experimentell och teoretisk expertis bland samarbetspartnerna för att sammanställa den hittills mest omfattande karakteriseringen av olika PDI-strukturer för solceller.

På den experimentella sidan, forskare undersökte dimererna med ultrasnabb emission och transient absorptionsspektroskopi för att i realtid mäta dynamiken i excitongenerering, evolution och förfall. Dessa optiska studier, som hjälper till att känsligt spåra excitonaktivitet genom att registrera olika ljusspektra när fotonerna absorberas eller emitteras av materialet, genomfördes vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility.

De tidsupplösta ljusmätningarna validerades via omfattande beräkningar av George Schatz, studie medförfattare och en kemiprofessor vid Northwestern University, som tillsammans med kollegor undersökte det strukturella beroendet av energinivåer i dessa molekyler, såsom hur länken mellan två PDI:er modifierar densiteten av elektronflödet mellan dem.

I en separat studie, Chen, Schaller och kollegor utvärderade excitonaktiviteten hos sammansatta molekyler kända som tvådimensionella kovalenta organiska ramverk, eller 2D COFs, designad av studiens medförfattare William Dichtel och kollegor vid Northwestern University. COFs har potential att användas i lysdioder, kemiska sensorer och solceller – deras geometriska precision lämpar sig för effektiv energitransport. Men lite är känt om hur elektroner faktiskt beter sig i dessa framväxande material.

2D COFs liknar snöflingor som kan staplas eller länkas för att skapa ett elektrontransporterande nätverk. När de går samman, deras egenskaper förändras, och forskarna ville veta varför. De inspekterade dessa kristallina strukturer, återigen med användning av transient absorptionsspektroskopi vid Northwestern University och CNM och även DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) strållinje vid Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility i Argonne.

Pulver sprider ljus i en omfattning som gör det svårt att karakterisera med spektroskopi. För att komma runt detta problem, forskarna skapade en kolloidal lösning av COFs, möjliggör fotofysisk karakterisering som annars inte skulle ha varit möjlig.

"Kolloidala COFs är i ett ganska tidigt skede, " sade Schaller. "Tidigare, de har bara gjorts som fasta pulver, och så till och med bara att studera deras fastigheter har varit en utmaning som William Dichtel har kunnat bryta upp."

Spektroskopi användes för att mäta elektronaktivitet, medan DND-CAT-strållinjen hjälpte till att mäta storleken och molekylära packningen av COFs kristallina domän.

"Vi upptäckte en mycket hög rörlighet av excitoner i 2D COFs, vilket var oväntat, "Fynden förstärker dessa strukturers löfte för potentiella opto-elektroniska tillämpningar."

Teamets resultat är detaljerade i artikeln "Stora excitondiffusionskoefficienter i tvådimensionella kovalenta organiska ramverk med olika domänstorlekar avslöjade av ultrasnabb excitondynamik, " som publicerades i juli förra året i Journal of the American Chemical Society .