Forskare vid Christian-Albrechts-universitetet i Kiel (CAU), Tyskland, framgångsrikt integrerat organiskt tenn i halvledande polymerer (plast) för första gången. Halvledande polymerer kan användas, till exempel, för absorption av solsken i solceller. Genom att införliva organiskt tenn i plasten, ljus kan absorberas över ett brett spektrum av solspektrumet. Den nya polymeren introduceras av projektledaren professor Anne Staubitz och doktoranden Julian Linshöft i den berömda professionella tidskriften " Angewandte Chemie, Internationell utgåva. "

I motsats till elektriska ledare som metaller, halvledare är material som endast leder elektricitet under vissa omständigheter, till exempel under bestrålning med ljus. På grund av denna egenskap är halvledande plast (även kallat halvledande polymerer) mycket lovande material för den senaste generationen av solceller - organiska solceller. Jämfört med de klassiska oorganiska varianterna, deras tillverkning kan vara billigare och de är mycket lätta material, vilket kan vara fördelaktigt för många applikationer, till exempel inom transportsektorn. "Dock, organiska solceller uppnår fortfarande inte samma effektivitet som oorganiska solceller baserade på kisel så att det finns ett stort behov av forskning inom detta område ", Anne Staubitz från Otto Diels-institutet sätter sitt forskningsområde i ett sammanhang.

Ett viktigt kriterium för sådana halvledare är hur effektivt de absorberar solljus för att omvandla det till elektricitet. När solskenet omvandlas till elektricitet, negativt laddade elektroner i halvledaren lyfts från en energinivå till en högre energinivå. Denna process lämnar efter sig ett positivt laddat "hål" i den lägre energinivån. Sedan perkolerar laddningarna separat till de olika elektriska polerna:En ström kan observeras. Solsken kan initiera denna process. Ju närmare dessa energinivåer är tillsammans, desto lättare är denna process:Fler fotoner kan absorberas och därmed kan mer solenergi användas. Polymerer, där detta gap ("bandgap") mellan energinivåerna är litet, ha en röd, i sällsynta fall även en lila färg.

Ett syfte med syntetisk organisk halvledarforskning är därför att producera organiska polymerer med små energigap (eller bandgap). Dock, utvecklingen av så starkt ljusabsorberande, djupt färgad plast är mycket svårt och därför ett mycket aktivt område inom aktuell forskning. "Med det nya materialet från våra laboratorier, det är synligt för blotta ögat att vi lyckades utveckla sådan plast! "säger Staubitz. Polymeren är djuplila i lösning och nästan svart när den bearbetas till en tunn film.

För att uppnå mycket små energiklyftor, forskarna från Kiel använde ett nytt koncept. De införlivade organiskt tenn i form av cykliska molekyler ("stannoler") i kolpolymerstommen. Tenn tillhör samma kemiska grupp som kol och är därför liknande i vissa av dess egenskaper. De elektroniska egenskaperna mellan stannoler och motsvarande kolkongener (cyclopentadienes) är dock mycket olika. "Tenn är inte bara en överviktig kolatom", Anne Staubitz förklarar. "Det kan sänka de energiska nivåerna i dess organiska föreningar dramatiskt." Men tills nu, ingen kunde använda dessa speciella egenskaper hos tenn i polymera material.

Att förena dessa individuella molekylära byggstenar (monomererna) var en svår uppgift för forskarna:Monomererna innehöll inte bara önskad tenn i själva stannolenheterna; organiskt tenn fanns också i de reaktiva kopplingsgrupper som var nödvändiga för att förena monomererna för att bilda polymeren. Endast dessa grupper skulle reagera, medan stannolringarna inte bör attackeras. Detta var livsviktigt, eftersom varje oönskad sidreaktion skulle leda till en betydande förkortning av polymerkedjan, vilket leder till en väsentlig försämring av polymerens kvalitet. "Detta var ett högriskprojekt, eftersom kopplingsreaktioner som kan välja mellan två olika organiska tenngrupper inte var kända inom kemi tidigare ", Säger Staubitz. Därför, Doktoranden Julian Linshöft behövde inte bara utveckla en selektiv, men en mycket selektiv tvärkopplingsreaktion. "Den första svårigheten var att hitta rätt reaktivitetsmönster för monomererna", Linshöft minns. "För detta, det fanns ingen ledning i den kemiska litteraturen hittills. "

Experimentet blev en framgång. Teamet kunde förbereda önskad plast med hjälp av palladium som en reaktionskatalysator. Materialet kan enkelt bearbetas till tunna filmer, som lyser svart och vars applikation i solceller nu kan testas. Linshöft, vars arbete finansierades av ett stipendium från den tyska stiftelsen för miljö säger:"Slutligen, vi kan förbereda dessa nya halvledande plaster. Deras fulla potential kan bedömas inom en snar framtid. "