Исследователи Колумбийского университета разработали способ использовать больше энергии от синглетного деления для повышения эффективности солнечных элементов, предоставив инструмент, который поможет продвинуть вперед разработку устройств следующего поколения.
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 экситоны, генерируемые из их неорганических аналогов, что приводит к усилению электричества, вырабатываемого на фотон, который поглощается солнечным элементом..
«Мы разработали новое правило проектирования для материалов синглетного деления», - сказал Луис Кампос, адъюнкт-профессор химии и один из трех главных исследователей исследования. «Это привело нас к разработке наиболее эффективных и технологически полезных внутримолекулярных синглетных материалов деления на сегодняшний день. Эти усовершенствования откроют двери для более эффективных солнечных элементов».
Все современные солнечные панели работают по одному и тому же принципу: один фотон света генерирует один экситон, объяснил Кампос. Затем экситон может быть преобразован в электрический ток. Однако есть некоторые молекулы, которые можно внедрить в солнечные элементы и которые способны генерировать два экситона из одного фотона - процесс, называемый синглетным делением. Эти солнечные элементы составляют основу 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» очень короткие периоды времени (десятки наносекунд), что затрудняет их сбор в виде 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 можно использовать не только в производстве солнечной энергии следующего поколения, но и в фотокаталитических процессах в химии, датчиках и визуализации, поскольку эти экситоны можно использовать для инициирования химических реакций, которые затем можно использовать. промышленностью для производства лекарств, пластмасс и многих других видов потребительских химикатов.
«Наша и другие группы продемонстрировали внутримолекулярное синглетное расщепление, но полученные экситоны либо генерировались очень медленно, либо недолговечны», - сказал Кампос.«Эта работа является первой, которая показывает, что синглетное деление может быстро генерировать два экситона, которые могут жить очень долго. эффективно использовать в устройствах, использующих усиленные светом сигналы».
Стратегия дизайна команды также должна оказаться полезной в отдельных областях научных исследований и иметь много других, пока невообразимых приложений, добавил он.
Соавторы исследования Кампоса: Сэмюэл Сандерс и Эндрю Пун из Колумбийского университета; Мэтью Ю. Сфейр из Городского университета Нью-Йорка; и Амир Асадпурдарвиш из Университета Нового Южного Уэльса.