Genom att använda en bio-härmare analog av en av naturens mest effektiva ljusskördande strukturer, blad av gräs, ett internationellt forskarlag under ledning av Alejandro Briseno från University of Massachusetts Amherst har tagit ett stort steg i utvecklingen av en eftertraktad polymerarkitektur för att öka effektiviteten i energiomvandlingen av ljus till elektricitet för användning i elektroniska enheter.

Briseno, med kollegor och doktorander vid UMass Amherst och andra vid Stanford University och Dresden University of Technology, Tyskland, rapportera i det aktuella numret av Nanobokstäver att genom att använda enkristallina organiska nanopelare, eller "nanogräs, "de hittade ett sätt att komma runt återvändsgränder, eller diskontinuerliga vägar, som utgör en allvarlig nackdel när man använder blandade system som kallas bulk heterojunction donator-acceptor, eller positiv-negativ (p-n), knutpunkter för att skörda energi i organiska solceller.

Brisenos forskargrupp är en av mycket få i världen som designar och odlar organiska enkristall-p-n-övergångar. Han säger, "Detta arbete är ett stort framsteg inom området för organiska solceller eftersom vi har utvecklat vad fältet anser som "Heliga Graal"-arkitekturen för att skörda ljus och omvandla det till elektricitet." Genombrottet inom morfologikontroll bör ha stor användning i solceller, batterier och vertikala transistorer, han lägger till.

Briseno förklarar, "Under decennier har forskare och ingenjörer lagt stora ansträngningar på att försöka kontrollera morfologin hos p-n-övergångsgränssnitt i organiska solceller. Vi rapporterar här att vi äntligen har utvecklat den ideala arkitekturen som består av organiska enkristallina vertikala nanopelare." Nanopelare är i nanoskala, konstruerade ytor med miljarder organiska stolpar som liknar grässtrån, och precis som grässtrån är de särskilt effektiva för att omvandla ljus till energi.

Framstegen tar inte bara upp problemet med återvändsgränder eller diskontinuerliga vägar som ger ineffektiv energiöverföring, men det löser också vissa instabilitetsproblem, där materialen i blandade blandningar av polymerer tenderar att förlora sitt fasseparerade beteende med tiden, försämrande energiöverföring, säger polymerkemisten. Också, material i blandade system tenderar i bästa fall att vara amorfa till semi-kristallina och "detta är en nackdel eftersom laddningstransport är mer effektiv i högkristallina system."

Specifikt, för att kontrollera den molekylära orienteringen och packningen vid elektrodytorna, teamet kombinerade kunskap om grafen och organiska kristaller. Även om det var svårt, Briseno säger, de lyckades få de nödvändiga föreningarna att staplas som mynt. Staplade föreningar är idealiska för laddningstransport eftersom denna konfiguration har den största laddningstransportanisotropin. Laddningstransportanisotropi är ett fenomen där elektroner flödar snabbare längs en viss kristallografisk riktning på grund av nära molekyl-molekyl-interaktioner. I detta fall, anisotropin är längs nanopelaren, vinkelrätt mot underlaget.

Briseno säger, "Den största utmaningen med att producera denna arkitektur var att hitta det lämpliga substratet som skulle göra det möjligt för molekylerna att staplas vertikalt. Vi hade utnyttjat i princip alla möjliga substrat tills vi äntligen lyckades med grafen, " han lägger till, vilket hände av en slump när en student valde fel substrat att odla kristaller på.

"I över en vecka odlade eleven vertikala kristaller och vi insåg inte ens förrän vi avbildade ytan på substratet med ett svepelektronmikroskop. Vi blev chockade över att se små kristaller stå upprätt! Vi optimerade till slut förhållandena och bestämde mekanism för kristallisation, ", tillägger polymerkemisten.

Vertikala nanopelare är idealiska geometrier för att komma runt dessa utmaningar, Briseno säger, "eftersom laddningsseparering/uppsamling är mest effektiv vinkelrätt mot plastanordningen. I det här fallet, våra nanopelare påminner mycket om nanogräs. Våra system delar liknande egenskaper hos gräs som högdensitetssystem, vertikala orienteringar och förmågan att effektivt omvandla ljus till energi."

Tekniken är enkel, billiga och tillämpliga på ett bibliotek av donator- och acceptorföreningar som är kommersiellt tillgängliga, konstaterar han. "Vi föreställer oss att våra nanopelare solceller kommer att tilltala low-end energiapplikationer som prylar, leksaker, sensorer och engångsenheter med kort livslängd."