Aurinkokenno ilman rajapintoja

Tutkimus, jota johti Cambridgen yliopisto, paljastaa tehokkaan uuden mekanismin valon keräämiseksi ja muuttamiseksi sähköksi. Tämä voisi määritellä uudelleen aurinkoenergian ja elektroniikan tulevaisuuden ja johtaa kevyempiin, halvempiin ja yksinkertaisempiin aurinkopaneeleihin, jotka on valmistettu yhdestä materiaalista.

Tutkimus keskittyy spinradikaaliseen orgaaniseen puolijohdemolekyyliin nimeltä P3TTM. Sen keskellä on yksi pariton elektroni, joka antaa sille ainutlaatuisia magneettisia ja elektronisia ominaisuuksia.

Tämä työ on syntynyt Hugo Bronsteinin synteettisen kemian ja Sir Richard Friendin johtaman puolijohdefysiikan tiimien yhteistyöstä. He ovat kehittäneet tämän molekyyliluokan tuottamaan erittäin tehokasta luminesenssia, jota hyödynnetään orgaanisissa LEDeissä.

Nature Materials -lehdessä julkaistu tutkimus kuitenkin paljastaa niiden piilevän kyvyn: Kun ne tuodaan läheiseen kosketukseen, niiden parittomat elektronit vuorovaikuttavat hämmästyttävän samalla tavalla kuin Mott-Hubbard-eriste.

"Tässä piilee todellinen taika", selitti Cavendish laboratorion johtava tutkija Biwen Li. "Useimmissa orgaanisissa materiaaleissa elektronit ovat pareittain eivätkä ole vuorovaikutuksessa naapureidensa kanssa. Mutta tässä tapauksesssa, kun molekyylit pakkautuvat yhteen, naapuripaikkojen parittomien elektronien välinen vuorovaikutus saa ne järjestäytymään vuorotellen ylös ja alas, mikä on Mott-Hubbardin käyttäytymisen tunnusmerkki.

Valoa absorboidessaan yksi näistä elektroneista hyppää lähimmän naapurinsa kimppuun luoden positiivisia ja negatiivisia varauksia, jotka voidaan erottaa fotosähkövirran aikaansaamiseksi."

Tiimi osoitti tämän luomalla aurinkokennon P3TTM-kalvosta. Kun valo osui kennoon, se saavutti huomattavan, lähes yhden yksikön varauksenkeräystehokkuuden, mikä tarkoittaa, että lähes jokainen valofotoni muuttui käyttökelpoiseksi sähkövaraukseksi.

Perinteisissä molekyylipuolijohdeaurinkokennoissa absorboituneen fotonin muuntuminen elektroneiksi ja aukoiksi voi tapahtua vain kahden eri materiaalin rajapinnassa, jossa toinen toimii elektronidonorina ja toinen elektronin vastaanottajana, ja tämä heikentää kokonaistehokkuutta.

Näissä uusissa materiaaleissa fotonin absorboitumisen jälkeen elektronin siirtäminen molekyylistä identtiseen naapurimolekyyliin, mikä luo sähkövarauksia, on energeettisesti "alamäkeen". Tähän tarvittava energia, jota usein kutsutaan "Hubbard U:ksi", on negatiivisesti varautuneen molekyylin elektronin kaksoismiehityksen sähköstaattinen varausenergia.

Yusuf Hamiedin kemian laitoksella työskentelevä tohtori Petri Murto kehitti molekyylirakenteita, jotka mahdollistavat molekyylien välisen kontaktin ja Mott-Hubbard-fysiikan säätelemän energiatasapainon säätämisen varausten erottelun saavuttamiseksi. Tämä läpimurto tarkoittaa, että aurinkokennojen valmistaminen yhdestä edullisesta ja kevyestä materiaalista voi olla mahdollista.

Aiheesta aiemmin:

Innovatiivisia rajapintoja tehokkaille perovskiittisille aurinkokennoille

Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja