Ekologiska solceller har stor potential för storskaliga, kostnadseffektiv solenergiproduktion. En utmaning som måste övervinnas är den dåliga ordningen av de tunna lagren ovanpå elektroderna. Använda självmontering på atomiskt plan, transparenta underlag, ett team av forskare vid Tekniska universitetet i München (TUM) har konstruerat beställda monolager av molekylära nätverk med fotovoltaiska svar. Resultaten öppnar spännande möjligheter för bottom-up-tillverkning av optoelektroniska enheter med molekylär precision.

Naturen är oöverträffad när det kommer till självmontering av komplexa, högpresterande molekylärt maskineri för ljusabsorption, exciton eller laddningsseparation och elektronöverföring. Molekylära nanoteknologer har länge drömt om att efterlikna sådana extraordinära biomolekylära arkitekturer och koppla om dem för att producera billig el.

Nu forskare från institutionerna för fysik och kemi vid Tekniska universitetet i München (TUM), från Max-Planck Institute for Polymer Research (Mainz, Tyskland) och Université de Strasbourg (Frankrike) har modifierat färgämnesmolekyler på ett sådant sätt att de kan fungera som byggstenar för självmonterande molekylära nätverk.

På de atomärt plana ytorna av ett grafenbelagt diamantsubstrat sätts molekylerna ihop i målarkitekturen på ett sätt som liknar proteiner och DNA-nanoteknik. Den enda drivkraften härrör från de konstruerade supramolekylära interaktionerna via vätebindningar. Som förväntat, det molekylära nätverket producerar en fotoström när det utsätts för ljus.

Från konst till applikation

"Länge betraktades konstruerade självmonterade molekylarkitekturer som konstnärliga, " säger PD Dr Friedrich Esch, en huvudförfattare till studien. "Med denna publikation presenterar vi för första gången ett seriöst praktiskt genomförande av denna teknik."

"Inom konventionella organiska solceller är förbättringen av molekylär ordning fortfarande en utmaning. den nanoteknologiska verktygslådan ger oss möjligheten till en atomärt exakt layout av de konstituerande komponenterna a priori, "säger Dr Carlos-Andres Palma, som medövervakade studien. "Möjligheten till fullständig fysikalisk-kemisk kontroll av komponenterna ger oss ytterligare ställskruvar för funktionsoptimering."

Forskarna hoppas nu kunna skala upp enhetskonfigurationen och certifiera solcellsresponsen under standardförhållanden. "Interkalerande självmonterade färgämnen mellan staplar av tvådimensionella elektroder som grafen, öppnar upp möjligheten till enkel uppskalning till effektiva fotovoltaiska monolagerelement", hävdar Dr. Palma "Detta kommer att sätta vårt arbete på solcellsteknikens karta".

Perfekt matchning av ytkemi och fysik

Forskarna använde terrylen-diimidmolekyler som fotoaktiva färgämnen. Nätverket bildas när de långsträckta terrylenmolekylerna ansluter sig till trivalent melamin. Genom att välja lämpliga sidogrupper för terrylendiimiden avgör författarna till studien vilka arkitekturer som kan bildas.

"Detta arbete är ett utmärkt exempel på det tvärvetenskapliga samarbete vi försöker inleda med institutionen för Catalysis Research Center:en perfekt match av kemi och fysik, "säger professor Ulrich Heiz, chef för TUM Catalysis Research Center.