В исследовании, опубликованном в этом месяце в журнале Nature Chemistry, команда подробно описывает конструкцию органических молекул, способных генерировать два экситона на фотон света, процесс, называемый синглетным делением. Экситоны производятся быстро и могут жить намного дольше, чем те, которые генерируются из их неорганических аналогов, что приводит к усилению электричества, генерируемого на фотон, который поглощается солнечным элементом.
«Мы разработали новое правило проектирования для материалов с синглетным делением», – сказал Луис Кампос, доцент химии и один из трех главных исследователей исследования. «Это привело нас к разработке наиболее эффективных и технологически полезных материалов внутримолекулярного синглетного деления на сегодняшний день.
Эти улучшения откроют дверь для более эффективных солнечных батарей."
Кампос объяснил, что все современные солнечные панели работают по одному и тому же процессу – один фотон света генерирует один экситон. Затем экситон может быть преобразован в электрический ток. Однако есть некоторые молекулы, которые могут быть реализованы в солнечных элементах, которые обладают способностью генерировать два экситона из одного фотона – процесс, называемый синглетным делением.
Эти солнечные элементы образуют основу для устройств следующего поколения, которые все еще находятся в зачаточном состоянии. Однако одна из самых больших проблем при работе с такими молекулами заключается в том, что два экситона «живут» в течение очень коротких периодов времени (десятки наносекунд), что затрудняет их использование в качестве формы электричества.
В текущем исследовании, частично финансируемом Управлением военно-морских исследований, Кампос и его коллеги разработали органические молекулы, которые могут быстро генерировать два экситона, которые живут намного дольше, чем современные системы. Кампос объяснил, что это достижение может быть использовано не только в производстве солнечной энергии следующего поколения, но и в фотокаталитических процессах в химии, сенсорах и визуализации, поскольку эти экситоны могут быть использованы для инициирования химических реакций, которые затем могут быть использованы. промышленностью для производства лекарств, пластмасс и многих других видов потребительской химии.
«Внутримолекулярное синглетное деление было продемонстрировано нашей группой и другими, но возникающие в результате экситоны либо генерировались очень медленно, либо они не просуществовали очень долго», – сказал Кампос. «Эта работа – первая, показывающая, что синглетное деление может быстро генерировать два экситона, которые могут жить очень долго. Это открывает дверь для фундаментального изучения того, как эти экситоны ведут себя, когда они сидят на отдельных молекулах, а также для понимания того, как их можно эффективно использовать в устройствах, которые извлекают выгоду из сигналов, усиленных светом."
Он добавил, что стратегия разработки команды также должна оказаться полезной в отдельных областях научных исследований и иметь множество других, пока еще невообразимых приложений.
Соавторами исследования Кампоса являются: Сэмюэл Сандерс и Эндрю Пун из Колумбийского университета; Мэтью Y. Сфейр из Городского университета Нью-Йорка; и Амир Асадпурдарвиш из Университета Нового Южного Уэльса.