Forskare vid energidepartementets nationella laboratorium för förnybar energi (NREL) upptäckte enkelväggiga kolnanorörhalvledare kan vara gynnsamma för solcellssystem eftersom de potentiellt kan omvandla solljus till el eller bränsle utan att förlora mycket energi.
Forskningen bygger på det Nobelprisbelönta arbetet av Rudolph Marcus, som utvecklade en grundläggande grundsats inom fysikalisk kemi som förklarar den hastighet med vilken en elektron kan förflytta sig från en kemikalie till en annan. Marcus formulering, dock, har sällan använts för att studera fotoinducerad elektronöverföring för framväxande organiska halvledare såsom enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) som kan användas i organiska PV-enheter.
I organiska PV-enheter, efter att en foton har absorberats, laddningar (elektroner och hål) måste i allmänhet separeras över ett gränssnitt så att de kan leva tillräckligt länge för att samlas in som elektrisk ström. Elektronöverföringshändelsen som producerar dessa separerade laddningar kommer med en potentiell energiförlust eftersom de inblandade molekylerna måste strukturellt omorganisera sina bindningar. Denna förlust kallas omorganisationsenergi, men NREL-forskare fann att lite energi gick förlorad när SWCNT-halvledare parades med fullerenmolekyler.
"Vad vi finner i vår studie är att just detta system - nanorör med fullerener - har en exceptionellt låg omorganisationsenergi och nanorören själva har förmodligen mycket, mycket låg omorganisationsenergi, " sa Jeffrey Blackburn, en senior forskare vid NREL och medförfattare till artikeln "Tuning the driving force for exciton dissociation in single-walled carbon nanorube heterojunctions."
Tidningen publiceras i det nya numret av tidskriften Naturkemi . Dess andra medförfattare är Rachelle Ihly, Kevin Mistry, Andrew Ferguson, Obadiah Reid, och Garry Rumbles från NREL, och Olga Boltalina, Tyler Clikeman, Bryon Larson, och Steven Strauss från Colorado State University.
Organiska PV-enheter involverar ett gränssnitt mellan en donator och en acceptor. I detta fall, SWCNT fungerade som givare, eftersom den donerade en elektron till acceptorn (här, fulleren). NREL-forskarna samarbetade strategiskt med kollegor vid Colorado State University för att dra nytta av expertis vid varje institution för att producera givare och acceptorer med väldefinierade och mycket inställbara energinivåer:halvledande SWCNT-givare vid NREL och fullerenacceptorer vid CSU. Detta partnerskap gjorde det möjligt för NRELs forskare att fastställa att elektronöverföringshändelsen inte kom med en stor energiförlust i samband med omorganisation, vilket innebär att solenergi kan skördas mer effektivt. Av denna anledning, SWCNT-halvledare kan vara fördelaktiga för PV-applikationer.
