Επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Cambridge αποκάλυψαν έναν κρυφό κβαντικό μηχανισμό σε έναν οργανικό ημιαγωγό, ο οποίος θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην παραγωγή ηλιακής ενέργειας. Σε μια ανακάλυψη που συνδέει τη σύγχρονη έρευνα με έννοιες του περασμένου αιώνα, οι ερευνητές εντόπισαν σε έναν οργανικό ημιαγωγό μια συμπεριφορά που μέχρι τώρα θεωρούσαν ότι εμφανιζόταν μόνο σε ανόργανα οξείδια μετάλλων.
Η ομάδα του Πανεπιστημίου του Cambridge αναφέρει έναν μέχρι πρότινος άγνωστο τρόπο μετατροπής του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να μεταμορφώσει την ηλιακή ενέργεια και τις ηλεκτρικές συσκευές, επιτρέποντας την κατασκευή ελαφρύτερων, φθηνότερων και απλούστερων ηλιακών πάνελ από ένα και μόνο υλικό.
Η έρευνα επικεντρώνεται σε έναν οργανικό ημιαγωγό τύπου spin-radical, γνωστό ως P3TTM. Στον πυρήνα του βρίσκεται ένα μοναδικό, ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, το οποίο προσδίδει στο μόριο ιδιαίτερες μαγνητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες. Η εργασία συνδυάζει την ομάδα συνθετικής χημείας του Καθηγητή Hugo Bronstein από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied, με την ομάδα φυσικής ημιαγωγών του Καθηγητή Sir Richard Friend από το Τμήμα Φυσικής.
Οι επιστήμονες ανέπτυξαν αυτή την κατηγορία μορίων ώστε να αποδίδουν εξαιρετικά στην εκπομπή φωτός (φωταύγεια)- όπως αξιοποιείται στα οργανικά LED – αλλά η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Materials, αποκάλυψε ένα κρυφό τους ταλέντο: όταν έρχονται σε στενή επαφή, τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια τους αλληλεπιδρούν με τρόπο που θυμίζει έντονα έναν μονωτή τύπου Mott-Hubbard.
Οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις και η λειτουργία τους
«Αυτό είναι πραγματικά μαγικό στοιχείο», εξήγησε η Biwen Li, επικεφαλής ερευνήτρια στο Εργαστήριο Cavendish. «Στα περισσότερα οργανικά υλικά, τα ηλεκτρόνια είναι ζευγαρωμένα και δεν αλληλεπιδρούν με τα γειτονικά άτομα. Όμως, στο δικό μας σύστημα, όταν τα μόρια συσσωρεύονται, η αλληλεπίδραση μεταξύ των ασύζευκτων ηλεκτρονίων σε γειτονικές θέσεις τα ωθεί να ευθυγραμμιστούν εναλλάξ προς τα πάνω και προς τα κάτω — ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα της συμπεριφοράς Mott-Hubbard. Με την απορρόφηση φωτός, ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια ‘πηδά’ στο κοντινότερο γειτονικό του άτομο, δημιουργώντας θετικά και αρνητικά φορτία τα οποία μπορούν να εξαχθούν για την παραγωγή φωτορεύματος (ηλεκτρισμού).»
Η ομάδα απέδειξε αυτό το φαινόμενο, δημιουργώντας ένα ηλιακό κύτταρο από λεπτό φιλμ P3TTM. Όταν το φως έπεσε πάνω στη συσκευή, πέτυχε εντυπωσιακά υψηλή αποδοτικότητα συλλογής φορτίου, σχεδόν ίση με τη μονάδα, πράγμα που σημαίνει ότι σχεδόν κάθε φωτόνιο μετατράπηκε σε αξιοποιήσιμο ηλεκτρικό φορτίο.
Στα συμβατικά ηλιακά κύτταρα οργανικών μοριακών ημιαγωγών, η μετατροπή ενός απορροφημένου φωτονίου σε ηλεκτρόνια και οπές (ηλεκτρισμό) μπορεί να συμβεί μόνο στη διεπιφάνεια μεταξύ δύο διαφορετικών υλικών, όπου το ένα δρα ως δότης ηλεκτρονίων και το άλλο ως δέκτης. Αυτό, ωστόσο, περιορίζει την συνολική απόδοση της συσκευής.
Αντίθετα, για αυτά τα νέα υλικά, μετά την απορρόφηση ενός φωτονίου, είναι ενεργειακά ευνοϊκό («κατηφορικό») να μετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα μόριο σε ένα πανομοιότυπο γειτονικό μόριο, δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικά φορτία. Η ενέργεια που απαιτείται για αυτή τη διαδικασία, γνωστή συχνά ως «Hubbard U», είναι η ηλεκτροστατική ενέργεια φόρτισης που χρειάζεται όταν ένα μόριο — το οποίο έχει γίνει αρνητικά φορτισμένο — φιλοξενεί δύο ηλεκτρόνια).
Σχεδιάζοντας μόρια για αποδοτικότητα
Ο Δρ. Petri Murto από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied ανέπτυξε μοριακές δομές που επιτρέπουν τη ρύθμιση της επαφής μεταξύ μορίων και της ενεργειακής ισορροπίας που διέπεται από τη φυσική Mott-Hubbard, απαραίτητης για την επίτευξη διαχωρισμού φορτίου. Αυτή η ανακάλυψη σημαίνει ότι ίσως είναι δυνατόν να κατασκευαστούν ηλιακά κύτταρα από ένα και μόνο, χαμηλού κόστους και ελαφρύ υλικό.
Η ανακάλυψη έχει και βαθιά ιστορική σημασία. Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Καθηγητής Sir Richard Friend, είχε συνεργαστεί με τον Sir Nevill Mott στα πρώτα στάδια της καριέρας του. Το εύρημα αυτό έρχεται την ίδια χρονιά με τη συμπλήρωση 120 ετών από τη γέννηση του Mott, του οποίου το έργο πάνω στις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων σε ακανόνιστα συστήματα έθεσε τα θεμέλια της σύγχρονης φυσικής συμπυκνωμένης ύλης.
«Είναι σαν να κλείνει ένας κύκλος», δήλωσε ο Friend. «Οι ιδέες του Mott αποτέλεσαν θεμέλιο για τη δική μου καριέρα και για την κατανόησή μας των ημιαγωγών. Το να βλέπουμε τώρα αυτούς τους βαθιά κβαντομηχανικούς κανόνες να εκδηλώνονται σε μια εντελώς νέα κατηγορία οργανικών υλικών — και να τους αξιοποιούμε για τη συλλογή φωτός — είναι πραγματικά κάτι το ξεχωριστό.»
«Δεν αναβαθμίζουμε απλώς τα παλιά σχέδια», δήλωσε ο Καθηγητής Hugo Bronstein. «Γράφουμε ένα νέο κεφάλαιο στο εγχειρίδιο, δείχνοντας ότι τα οργανικά υλικά μπορούν να παράγουν ηλεκτρικά φορτία από μόνα τους, χωρίς βοήθεια από άλλα υλικά.»
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου