En la torsión y el giro de largas moléculas orgánicas, Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han encontrado un grupo prometedor de materiales para las células solares súper eficientes del mañana.

En un nuevo artículo publicado en Nature Chemistry, Los investigadores de NREL demostraron cómo una molécula cuidadosamente diseñada puede dividir eficientemente la energía impartida por un fotón en dos estados excitados y mantenerlos separados durante varios microsegundos, un tiempo prolongado a escala molecular. Los tres autores:Nadia Korovina, Chris Chang, y Justin Johnson — se basaron en su diversa experiencia en química y modelado por computadora para diseñar esta nueva molécula y aprender cómo funciona.

Cuando un fotón choca contra un material semiconductor apropiado, crea un excitón, un estado de energía excitado. En algunas moléculas orgánicas, el excitón se puede dividir, formando dos excitones tripletes. Este proceso de "fisión singlete" podría potencialmente usarse para extraer más energía de cada fotón absorbido que en una célula solar tradicional. Sin embargo, si estos dos trillizos se encuentran, se recombinarán y dejarán de existir. Adicionalmente, el proceso por el cual un singlete se divide en dos tripletes estables a menudo puede perder algo de energía para calentarse.

Una molécula fotovoltaica orgánica ideal abordaría ambos problemas, lo que significa que convierte de manera eficiente los excitones singlete en tripletes sin pérdida de calor y mantiene esos tripletes separados para que no puedan recombinarse. En lugar de buscar una molécula así, el equipo de NREL decidió diseñar el suyo propio. Basándose en investigaciones anteriores, el equipo sabía en general qué tipos de moléculas orgánicas se mostraban prometedoras. Pero necesitaban determinar exactamente qué tan largas y complejas deberían ser estas moléculas para evitar la recombinación de tripletes.

Con ese objetivo en mente, Korovina sintetizó una serie de moléculas de diferente longitud, todos construidos con cadenas de cromóforos, bloques de construcción moleculares que absorben la luz.

"La parte más difícil fue diseñar moléculas en las que se logró el delicado equilibrio de las energías singlete y triplete, ", Dijo Korovina." Después de aproximadamente un año de prueba y error, teníamos las moléculas adecuadas de las que pudimos aprender las complejidades del proceso de fisión singlete ".

Después de clasificar cuidadosamente estas moléculas por tamaño, el equipo descubrió que se necesita una cadena de al menos tres cromóforos para aislar con éxito dos excitones tripletes.

Para averiguar exactamente cómo la cadena de cromóforos aislaba a los dos tripletes, Johnson y Korovina se volvieron hacia Chang, un científico computacional con experiencia en bioquímica. "Considero que el modelaje ayuda a responder dos grandes preguntas, "Dijo Chang." ¿Cómo funciona basándose en principios subyacentes? ¿Y cómo se ve cuando lo hace? "

Al crear y luego refinar un modelo de cómo las moléculas se mueven e interactúan, el equipo descubrió que un movimiento de torsión da a las moléculas las características necesarias para aislar los tripletes. La cadena molecular suele ser floja y flexible cuando no está iluminada; pero cuando absorbe un fotón, la cadena gira alrededor de su eje central e inicialmente se pone rígida, resultando en una forma que facilita la formación de dos tripletes. La torsión posterior que se produce después de que finaliza el proceso inicial ayuda a separar espacialmente los dos tripletes, alargando su esperanza de vida.

Combinando enfoques experimentales y de modelado, el equipo no solo pudo desarrollar una molécula absorbente de energía prometedora, sino también para explicar su función en detalle. Ahora que se comprende bien el mecanismo fundamental, El desarrollo futuro y el uso de moléculas similares en células solares de alta eficiencia u otros sistemas fotoelectroquímicos deberían ser más fáciles.

"Nuevos descubrimientos como este son posibles sin cruzar disciplinas, "Johnson dijo, "pero combinar la experiencia como lo hicimos nosotros puede producir un impacto mucho mayor".