Solstrålar finns i överflöd, ren energikälla som blir allt viktigare i takt med att världen arbetar för att flytta bort från kraftkällor som bidrar till den globala uppvärmningen. Men nuvarande metoder för att skörda solenergiladdningar är dyra och ineffektiva – med en teoretisk effektivitetsgräns på 33 procent. Nya nanomaterial utvecklade av forskare vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center vid City University of New York (CUNY) skulle kunna ge en väg till effektivare och potentiellt överkomlig skörd av solenergi.

Materialen, skapad av forskare med ASRC:s Nanoscience Initiative, använda en process som kallas singlet fission för att producera och förlänga livslängden för skördbara ljusgenererade elektroner. Upptäckten beskrivs i en nypublicerad tidning i Journal of Physical Chemistry . Tidig forskning tyder på att dessa material kan skapa mer användbara laddningar och öka den teoretiska effektiviteten hos solceller med upp till 44 procent.

"Vi modifierade några av molekylerna i vanliga industriella färgämnen för att skapa självmonterande material som underlättar ett större utbyte av skördbara elektroner och förlänger elektronernas livslängder i citerade tillstånd, ger oss mer tid att samla dem i en solcell, sa Andrew Levine, huvudförfattare till uppsatsen och en Ph.D. student vid The Graduate Center.

Självmonteringsprocessen, Levine förklarade, gör att färgämnesmolekylerna staplas på ett speciellt sätt. Denna stapling tillåter färgämnen som har absorberat solfotoner att koppla ihop och dela energi med - eller "excitera" - närliggande färgämnen. Elektronerna i dessa färgämnen frikopplas sedan så att de kan samlas in som skördbar solenergi.

Metodik och resultat

För att utveckla materialen, forskare kombinerade olika versioner av två ofta använda industriella färgämnen - diketopyrrolopyrrol (DPP) och rylen. Detta resulterade i bildandet av sex självmonterande överbyggnader, som forskare undersökte med hjälp av elektronmikroskopi och avancerad spektroskopi. De fann att varje kombination hade subtila skillnader i geometri som påverkade färgämnenas exciterade tillstånd, förekomsten av singlet fission, och utbytet och livslängden för skördbara elektroner. Betydelse

"Detta arbete ger oss ett bibliotek av nanomaterial som vi kan studera för att skörda solenergi, " sa professor Adam Braunschweig, ledande forskare i studien och en docent vid ASRC Nanoscience Initiative och kemiavdelningarna vid Hunter College och The Graduate Center. "Vår metod för att kombinera färgämnena till funktionella material med hjälp av självmontering innebär att vi noggrant kan justera deras egenskaper och öka effektiviteten i den kritiska ljusskördsprocessen."

Materialens förmåga att självmontera kan också förkorta tiden för att skapa kommersiellt gångbara solceller, sa forskarna, och visa sig vara billigare än nuvarande tillverkningsmetoder, som förlitar sig på den tidskrävande processen för molekylär syntes.

Forskargruppens nästa utmaning är att utveckla en metod för att skörda de solladdningar som skapas av deras nya nanomaterial. För närvarande, de arbetar med att designa en rylenmolekyl som kan ta emot elektronen från DPP-molekylen efter singletfissionsprocessen. Om det lyckas, dessa material skulle både initiera singletfissionsprocessen och underlätta laddningsöverföring till en solcell.