La creación de la próxima generación de células solares y sensores requiere observar de cerca cómo la luz interactúa con los materiales sensibles a la luz. La investigación en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) está avanzando en este entendimiento hacia un futuro con células solares de alta eficiencia y herramientas ópticas de última generación.

Diseñar nuevas tecnologías que aprovechen la luz utilizando materiales orgánicos, los científicos están explorando las funciones moleculares básicas en juego. Por ejemplo, el uso de componentes a base de carbono especialmente diseñados podría permitir células solares de película fina, o fotovoltaica. Este tipo de material podría permitir todo, desde cristales tintados para generar energía hasta cargadores portátiles, expandiendo la energía solar mucho más allá de lo tradicional, Paneles de techo a base de silicona. Sin embargo, Queda mucho por descubrir sobre qué componentes básicos de estos fotovoltaicos orgánicos ofrecerán una alta eficiencia, durabilidad y bajo costo.

"En algunas formas, la energía fotovoltaica de hoy es como la primera industria automotriz, "dijo Richard Schaller, químico físico en Argonne y profesor en la Universidad Northwestern. "Una docena o más de diferentes enfoques de ingeniería y materiales tienen como objetivo utilizar energía solar, pero se dirigen a varios mercados identificados, así como responder a diferentes factores de costo y rendimiento ".

Tales materiales se extienden gruesos, inorgánicos cristalinos de alta pureza como el silicio a bajo costo, plásticos orgánicos mucho más delgados y moléculas pequeñas que necesitan menos energía inicial para fabricarse.

El corazón de las células solares orgánicas se compone de regiones separadas conocidas como donantes de electrones y aceptores de electrones. Cuando los fotones de la luz solar golpean estas regiones, los fotones depositan energía en electrones cargados negativamente, que se excitan y producen huecos con carga positiva donde estaban los electrones. Estos pares de electrones y huecos se mantienen unidos debido a su carga opuesta y se denominan excitones. Cuando los excitones se encuentran con la interfaz entre el donante y el aceptor, se pueden dividir facilitar la transferencia separada de electrones que se mueven hacia un electrodo y los agujeros hacia el otro, generando una corriente.

Esférico, Las moléculas de carbono huecas conocidas como fullerenos son excelentes aceptores dentro de una célula, pero los fullerenos tienen inconvenientes, dijo Lin Chen, miembro distinguido en Argonne y profesor de química en la Universidad Northwestern.

"El fullereno es difícil de sintetizar, y más caro en peso que el oro, "Ha sido un proceso continuo para encontrar aceptores que no sean de fullereno que sean rentables y robustos para las células solares orgánicas de larga duración".

Chen, Schaller y sus colegas están estudiando derivados de perilendiimida (PDI), que son alternativas potenciales a los fullerenos basados ​​en una clase de pigmentos económicos. En un estudio reciente, los investigadores examinaron seis variaciones de PDI sintetizadas por Luping Yu, coautor del estudio y profesor de química en la Universidad de Chicago, y sus colegas. El objetivo era ver cómo los cambios en la estructura molecular afectaban la eficiencia de conversión de luz de los PDI.

Estas moléculas de PDI están unidas entre sí en pares llamados dímeros para mejorar sus comunicaciones electrónicas con los materiales de los donantes. El estudio comparó las actividades entre estos dímeros con enlazadores de diferente longitud y rigidez. La investigación, que fue publicado en la revista Ciencia química en junio, 2020, combinó la experiencia experimental y teórica entre los colaboradores para ensamblar la caracterización más completa hasta ahora de diferentes estructuras PDI para energía fotovoltaica.

En el lado experimental, Los investigadores examinaron los dímeros con espectroscopía de emisión ultrarrápida y absorción transitoria para medir en tiempo real la dinámica de la generación de excitones. evolución y decadencia. Estos estudios ópticos, que ayudan a rastrear con sensibilidad la actividad de los excitones al registrar diferentes espectros de luz a medida que los fotones son absorbidos o emitidos por el material, se llevaron a cabo en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Las mediciones de luz resueltas en el tiempo fueron validadas mediante cálculos completos por George Schatz, coautor del estudio y profesor de química en la Universidad Northwestern, quienes, junto con sus colegas, examinaron la dependencia estructural de los niveles de energía en estas moléculas, por ejemplo, cómo el enlazador entre dos PDI modifica la densidad del flujo de electrones entre ellos.

En un estudio separado, Chen, Schaller y sus colegas evaluaron la actividad excitónica de moléculas ensambladas conocidas como marcos orgánicos covalentes bidimensionales, o COF 2D, diseñado por el coautor del estudio William Dichtel y sus colegas de la Universidad Northwestern. Los COF tienen potencial para su uso en diodos emisores de luz, Sensores químicos y energía fotovoltaica:su precisión geométrica se presta a un transporte de energía eficiente. Pero se sabe poco sobre cómo se comportan realmente los electrones en estos materiales emergentes.

Los COF 2D se asemejan a copos de nieve que se pueden apilar o enlazar para crear una red de transporte de electrones. Mientras se unen, sus propiedades cambian, y los investigadores querían saber por qué. Inspeccionaron estas estructuras cristalinas, nuevamente utilizando espectroscopía de absorción transitoria en la Universidad Northwestern y el CNM y también la línea de luz del Equipo de Acceso Colaborativo DuPont-Northwestern-Dow (DND-CAT) en la Fuente de Fotones Avanzada, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne.

El polvo dispersa la luz hasta un punto que dificulta su caracterización con espectroscopia. Para solucionar este problema, los investigadores crearon una solución coloidal de COF, permitiendo una caracterización fotofísica que no hubiera sido posible de otra manera.

"Los COF coloidales se encuentran en una etapa bastante temprana, ", Dijo Schaller." En el pasado, solo se han elaborado como polvos sólidos, por lo que incluso el solo estudio de sus propiedades ha sido un desafío que William Dichtel ha podido abrir ".

Se utilizó espectroscopia para medir la actividad de los electrones, mientras que la línea de luz DND-CAT ayudó a medir el tamaño y el empaquetamiento molecular del dominio cristalino de los COF.

"Descubrimos una movilidad muy alta de excitones en los COF 2D, que fue inesperado, ", Dijo Chen." Los hallazgos refuerzan la promesa de estas estructuras para posibles aplicaciones optoelectrónicas ".

Los resultados del equipo se detallan en el artículo "Grandes coeficientes de difusión de excitones en marcos orgánicos covalentes bidimensionales con diferentes tamaños de dominio revelados por la dinámica de excitones ultrarrápida, "que se publicó el pasado mes de julio en Revista de la Sociedad Química Estadounidense .