Μεμβράνη ηλιακών κυψελών κατασκευασμένη από το μοριακό υλικό πέτυχε απόδοση συλλογής φορτίου σχεδόν μονάδας.
Ένα νέο οργανικό μόριο ημιαγωγού θα μπορούσε να οδηγήσει σε ελαφρύτερα και απλούστερα ηλιακά πάνελ κατασκευασμένα εξ ολοκλήρου από ένα μόνο υλικό.
Για σχεδόν έναν αιώνα, η φυσική έλεγε ότι δεν μπορούσε να γίνει με ένα μόνο, απλό οργανικό υλικό.
Αλλά χάρη στην ανακάλυψη του Πανεπιστημίου του Cambridge, αυτό θα μπορούσε να είναι δυνατό.
Η ομάδα παρατήρησε έναν ισχυρό μηχανισμό συλλογής φωτός, που για πολύ καιρό θεωρούνταν περιορισμένος σε ανόργανα υλικά (οξείδια μετάλλων).
Αυτός ο ενδιαφέρον μηχανισμός άκμασε μέσα σε ένα απλό, λαμπερό οργανικό μόριο ημιαγωγού που ονομάζεται P3TTM.
«Δεν βελτιώνουμε απλώς παλιά σχέδια. Γράφουμε ένα νέο κεφάλαιο στο εγχειρίδιο, δείχνοντας ότι τα οργανικά υλικά είναι σε θέση να παράγουν φορτία μόνα τους», δήλωσε στο δελτίο Τύπου ο Hugo Bronstein (καθηγητής και συντάκτης της μελέτης).
«Μαγεία» μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων
Η έρευνα επικεντρώνεται σε αυτό το μοναδικό μόριο (έναν οργανικό ημιαγωγό με ριζικό σπιν).
Ένα μόνο, μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο βρίσκεται στον πυρήνα του μορίου το οποίο προσδίδει μοναδικές ηλεκτρονικές και μαγνητικές ιδιότητες.
Σύμφωνα με τον Biwen Li (επικεφαλής ερευνητής) «το κλειδί της ανακάλυψης έγκειται στον τρόπο με τον οποίο τα μόρια αλληλεπιδρούν».
Όταν είναι σφιχτά συσκευασμένα, τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια σε γειτονικές θέσεις ευθυγραμμίζονται εναλλάξ προς τα πάνω και προς τα κάτω.
Αυτή η αλληλεπίδραση είναι ένα σήμα κατατεθέν αυτού που είναι γνωστό στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης ως συμπεριφορά Mott-Hubbard (φαινόμενο που προηγουμένως προοριζόταν για σύνθετα, ανόργανα οξείδια μετάλλων).
Η δράση αναπήδησης δημιουργεί αμέσως θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία (ένα ρεύμα) που μπορούν εύκολα να εξαχθούν.
«Αυτή είναι η πραγματική μαγεία.
Μόλις απορροφήσει φως, ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια αναπηδά στον πλησιέστερο γείτονά του, δημιουργώντας θετικά και αρνητικά φορτία που μπορούν να εξαχθούν για να δώσουν ένα φωτορεύμα (ηλεκτρισμό)», σημείωσε ο Li.
Μετατροπή φωτονίων σε αξιοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια
Για να καταδείξει αυτήν την ιδέα, η ομάδα δημιούργησε ένα ηλιακό κύτταρο χρησιμοποιώντας μια μεμβράνη του μορίου P3TTM.
Το χτύπημα της συσκευής με φως είχε ως αποτέλεσμα έναν φανταστικό ρυθμό μετατροπής, επιτυγχάνοντας «απόδοση συλλογής φορτίου σχεδόν μονάδας».
Ο ρυθμός μετατροπής δείχνει ότι σχεδόν όλα τα απορροφημένα φωτόνια μετατράπηκαν σε αξιοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια.
Σε σύγκριση, τα τυπικά σχέδια βασίζονται σε μια διεπαφή μεταξύ δύο υλικών (το ένα για να δωρίζει ηλεκτρόνια και το άλλο για να τα δέχεται) για να διαχωρίζουν τα φορτία και να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Είναι ενδιαφέρον ότι το νέο οργανικό υλικό μπορεί να παράγει φορτία από μόνο του.
Σχεδιασμός για την επίτευξη διαχωρισμού φορτίου
Οι ειδικοί δημιούργησαν μοριακές δομές σε αυτή τη νέα εργασία για να ελέγχουν την επαφή μορίου προς μόριο και να διατηρούν την ενεργειακή ισορροπία Mott-Hubbard.
Αυτός ο σχεδιασμός παρείχε το κλειδί για την επίτευξη διαχωρισμού φορτίου και θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την κατασκευή ηλιακών κυψελών ενός υλικού, χαμηλού κόστους.
«Οι γνώσεις του Mott ήταν θεμελιώδεις για την καριέρα μου και για την κατανόησή μας για τους ημιαγωγούς. Το να βλέπουμε τώρα αυτούς τους βαθυστόχαστους κβαντομηχανικούς κανόνες να εκδηλώνονται σε μια εντελώς νέα κατηγορία οργανικών υλικών και να τους αξιοποιούμε για τη συλλογή φωτός, είναι πραγματικά ξεχωριστό», δήλωσε ο Sir Richard Friend (καθηγητής και κύριος συντάκτης της εργασίας).
Λύνοντας ένα πρόβλημα φυσικής αιώνα, η συνεργασία του Cambridge έχει ξεκλειδώσει ένα ισχυρό νέο μονοπάτι προς τη δημιουργία εξαιρετικά αποδοτικών, εύκολα κατασκευασμένων ηλιακών κυψελών για την επιτάχυνση της μετάβασης σε βιώσιμες πηγές ενέργειας.
www.worldenergynews.gr
