Двойная энергия фотонов: сверхэффективные солнечные элементы завтрашнего дня

В новой статье в Nature Chemistry исследователи NREL продемонстрировали, как тщательно разработанная молекула может эффективно разделять энергию, передаваемую одним фотоном, на два возбужденных состояния и сохранять их разделенными в течение нескольких микросекунд — долгое время в молекулярном масштабе. Три автора — Надя Коровина, Крис Чанг и Джастин Джонсон — использовали свои разнообразные знания в области химии и компьютерного моделирования, чтобы сконструировать эту новую молекулу и узнать, как она функционирует.

Когда фотон попадает в соответствующий полупроводниковый материал, он создает экситон — возбужденное энергетическое состояние. В некоторых органических молекулах экситон может расщепляться, образуя два триплетных экситона. Этот процесс «синглетного деления» потенциально может быть использован для извлечения большей энергии из каждого поглощенного фотона, чем в традиционном солнечном элементе. Однако, если эти две тройки встретятся друг с другом, они рекомбинируют и перестанут существовать. Кроме того, процесс, при котором синглет расщепляется на два стабильных триплета, часто приводит к потере энергии на нагрев.

Идеальная органическая фотоэлектрическая молекула решает обе эти проблемы, то есть эффективно преобразует синглетные экситоны в триплеты без потери тепла и сохраняет эти триплеты отдельно, чтобы они не могли рекомбинировать. Вместо того, чтобы искать такую ​​молекулу, команда NREL решила разработать свою собственную. Опираясь на предыдущие исследования, команда в целом знала, какие типы органических молекул перспективны. Но им нужно было точно определить, насколько длинными и сложными должны быть эти молекулы, чтобы предотвратить рекомбинацию триплетов.

С этой целью Коровина синтезировала серию молекул различной длины, построенных из цепочек хромофоров — светопоглощающих молекулярных строительных блоков.

«Самым сложным было создание молекул, в которых был достигнут прекрасный баланс синглетной и триплетной энергий», — сказала Коровина. «Примерно через год проб и ошибок у нас были нужные молекулы, из которых мы смогли изучить тонкости процесса синглетного деления».

После тщательной сортировки этих молекул по размеру команда обнаружила, что для успешного выделения двух триплетных экситонов необходима цепочка из как минимум трех хромофоров.

Чтобы выяснить, как именно цепочка хромофоров выделяет эти два триплета, Джонсон и Коровина обратились к Чангу, ученому-вычислителю с опытом работы в биохимии. «Я считаю, что моделирование помогает ответить на два важных вопроса», — сказал Чанг. «Как это работает на основе основных принципов? И как это выглядит, когда это происходит?»

Создав и затем уточнив модель того, как молекулы движутся и взаимодействуют, команда обнаружила, что скручивающее движение придает молекулам характеристики, необходимые для изоляции триплетов. Молекулярная цепь обычно гибкая, когда не находится под освещением; но когда она поглощает фотон, цепь скручивается вокруг своей центральной оси и сначала становится жесткой, в результате чего получается форма, которая способствует образованию двух триплетов. Последующее скручивание, которое происходит после завершения первоначального процесса, помогает пространственно разделить две тройни, увеличивая их продолжительность жизни.

Объединив экспериментальный и модельный подходы, команда смогла не только разработать многообещающую молекулу, поглощающую энергию, но и подробно объяснить ее функцию. Теперь, когда фундаментальный механизм хорошо понят, будущее развитие и использование подобных молекул в высокоэффективных солнечных элементах или других фотоэлектрохимических системах должно быть проще.

Источник

Метки: фотон