Forskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbetar för närvarande med ett gemensamt forskningsprojekt för att generera mer el från solceller och bedriva ytterligare forskning om så kallad singlet fission med Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center, US Singlet -klyvning kan avsevärt öka effektiviteten hos solceller, och tack vare den senaste forskningen, det är ett steg närmare att bli möjligt. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Chem .
Den globala energiförbrukningen har ökat, och den uppåtgående trenden kommer att fortsätta under de kommande åren. I ett försök att möta efterfrågan och samtidigt skydda miljön, el från solenergi, vind, vatten- och biomassakällor blir allt viktigare. Dock, endast cirka 6 procent av bruttoel som producerades i Tyskland 2017 kom från solcellsanläggningar, och den kiselbaserade tekniken som för närvarande finns tillgänglig når snabbt sina gränser när det gäller potential.
Solceller är extremt ineffektiva på att omvandla solenergi till el. Deras effektivitet är för närvarande bara 20 till 25 procent. Nya tillvägagångssätt krävs för att avsevärt öka solcellernas prestanda och generera mer el. Svaret kan hittas i fysikalisk-kemiska processer som avsevärt ökar solcellernas effektivitet. Forskare vid FAU och ANSER Center har undersökt ett lovande tillvägagångssätt som en del av sitt gemensamma forskningsprojekt. Forskarna undersökte den så kallade singlet fission (SF) -mekanismen, där en foton väcker två elektroner.
Principen om singlet fission upptäcktes för ungefär 50 år sedan, men dess potential att avsevärt öka effektiviteten hos organiska solceller erkändes bara av forskare i USA för cirka 10 år sedan. Sedan dess, forskare runt om i världen har arbetat med att få en mer detaljerad förståelse av de grundläggande processerna och komplexa mekanismerna bakom. Tillsammans med prof. Michael Wasielewski från ANSER Center, forskarna från FAU har nu lyckats klargöra några utomordentligt viktiga aspekter av SF.
När en foton från solljus möts och absorberas av en molekyl, energinivån för en av elektronerna i molekylen ökas. Genom att absorbera en foton, en organisk molekyl omvandlas därigenom till ett tillstånd med högre energi. Elektricitet kan sedan genereras i solceller från denna energi, som lagras tillfälligt i molekylen. Det optimala scenariot i konventionella solceller är att varje foton genererar en elektron som bärare för elen. Om, dock, dimerer från utvalda kemiska föreningar används, två elektroner från närliggande molekyler kan omvandlas till ett tillstånd med högre energi. Totalt, en foton genererar två upphetsade elektroner, som i sin tur kan användas för att producera elektrisk ström - två är gjorda av en. Denna process är känd som single fission, och i det ideala scenariot, kan avsevärt öka prestanda för solceller. Kemister och fysiker vid FAU och ANSER Center har undersökt den bakomliggande mekanismen mer detaljerat, vilket leder till en betydligt mer omfattande förståelse av SF -processen.
Som det första steget i deras forskning, forskarna producerade en molekylär dimer från två pentacenenheter. Detta kolväte anses vara en lovande kandidat för att använda singlet fission i solceller. De utsatte sedan vätskan för ljus och använde olika spektroskopiska metoder för att undersöka de fotofysiska processerna i molekylen.
Detta gav forskarna tre långtgående insikter om mekanismen bakom intra-molekylär singlet fission. För det första, de lyckades bevisa att koppling till ett högre laddningsöverföringstillstånd är avgörande för högeffektiv SF. För det andra, de verifierade en modell för singlet fission som de nyligen skapade och publicerade. För det tredje (och sist), de bevisade att SF-effektiviteten tydligt korrelerar till hur starkt de två pentacenenenheterna är kopplade.
Resultaten indikerar vikten av att noggrant planera designen av SF -material. Detta är en viktig milstolpe på vägen mot att använda SF-baserade solcellssystem för att generera el. Ytterligare grundforskning krävs fortfarande, dock.
