Advertisements

Memperoleh silikon

Bahan energi matahari yang sangat tahan lama dan terjangkau sayangnya juga tidak dapat digunakan jika hampir tidak menghasilkan listrik, sehingga banyak peneliti telah meninggalkan teknologi surya organik yang muncul. Namun belakangan ini, perubahan dalam kimia yang mendasarinya telah meningkatkan output daya, dan sebuah studi baru telah mengungkapkan tweak yang berlawanan membuat kimia baru ini berhasil.

Pergeseran dari “fullerene” ke “non-fullerene acceptors” (NFAs), istilah yang dirinci di bawah ini, dan dalam pembangkit listrik fotovoltaik, akseptor adalah molekul dengan potensi untuk menjadi elektron seperti halnya penangkap bola. Molekul donor yang sesuai “melempar” elektron ke akseptor “penangkap” untuk menciptakan arus listrik. Ahli kimia yang sangat dikutip Jean-Luc Brédas di Institut Teknologi Georgia telah memajukan teknologi dan juga memimpin studi baru.

“NFA adalah binatang buas yang kompleks dan melakukan hal-hal yang tidak dilakukan oleh teknologi surya silikon saat ini. Anda dapat membentuknya, membuatnya semi-transparan atau berwarna. Tetapi potensi besar mereka adalah kemungkinan untuk menyempurnakan cara mereka membebaskan dan menggerakkan elektron untuk menghasilkan listrik, “kata Brédas, seorang Profesor Bupati di Sekolah Kimia dan Biokimia Georgia Tech.

Hanya dalam empat tahun terakhir, penyetelan kimia NFA telah meningkatkan teknologi fotovoltaik organik dari awalnya mengubah hanya 1% sinar matahari menjadi listrik menjadi 18% konversi dalam percobaan baru-baru ini. Sebagai perbandingan, modul surya silikon berkualitas tinggi yang ada di pasaran mengonversi sekitar 20%.

“Teori mengatakan kita harus dapat mencapai lebih dari 25% konversi dengan solar berbasis NFA organik jika kita dapat mengendalikan kehilangan energi dengan cara morfologi,” kata Tonghui Wang, seorang peneliti postdoctoral di lab Brédas ‘dan penulis pertama studi.

Morfologi, bentuk-bentuk yang diambil molekul dalam suatu bahan, adalah kunci efisiensi tinggi teknologi surya NFA, tetapi bagaimana hal itu bekerja pada tingkat molekuler telah menjadi misteri. Studi baru dengan hati-hati memodelkan tweak kecil ke bentuk molekul dan menghitung konversi energi yang sesuai dalam pasangan donor / akseptor elektron NFA yang umum.

Performa yang meningkat tidak datang dari tweak ke tangan metaforis penangkap maupun dari tangan pitcher donor tetapi dari sesuatu yang mirip dengan posisi kaki penangkap. Beberapa posisi lebih baik menyelaraskan “tubuh” akseptor dengan donor elektron.

“Kaki” adalah komponen kecil, kelompok metoksi, pada akseptor, dan dua posisi dari empat posisi yang mungkin diambil meningkatkan konversi cahaya menjadi listrik dari 6% menjadi 12%. Brédas dan Wang mempublikasikan studi mereka, Sel Surya Organik Berbasis pada Akseptor Molekul Kecil Non-Fullerene: Dampak Posisi Substituen, pada 20 November 2019, dalam jurnal Matter. Penelitian ini didanai oleh Office of Naval Research, phys

(Pasangan kimia donor / akseptor adalah PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, atau -4, dengan -2 dan -3 menunjukkan pembangkitan listrik yang unggul. Lihat kutipan di bagian bawah untuk nama kimia lengkap.

Sel silikon kikuk

Sel surya berbasis NFA yang dapat dipasarkan dapat memiliki banyak keunggulan dibandingkan silikon, yang membutuhkan penambangan kerikil kuarsa, peleburannya seperti besi, memurnikannya seperti baja, kemudian memotong dan mengolahnya. Sebaliknya, sel surya organik dimulai sebagai pelarut murah yang dapat dicetak ke permukaan.

Sel silikon biasanya kaku dan berat dan melemah dengan panas dan stres ringan, sedangkan sel surya berbasis NFA ringan, fleksibel, dan tahan stres. Mereka juga memiliki sifat fotolistrik yang lebih kompleks. Dalam lapisan fotoaktif berbasis NFA, ketika foton mengeluarkan elektron dari orbit luar molekul donor, elektron menari di sekitar lubang elektron yang telah mereka buat, mengaturnya untuk penyerahan khusus ke akseptor.

“Silikon mengeluarkan elektron dari orbit ketika foton mengeluarkannya melewati ambang batas. Ini aktif atau nonaktif; Anda mendapatkan elektron konduksi atau tidak ada elektron konduksi,” kata Brédas, yang juga Vasser Woolley Chair dalam Desain Molekuler di Georgia Tech. “NFA lebih halus. Seorang donor elektron menjangkau elektron, dan akseptor elektron menariknya. Kemampuan untuk menyesuaikan morfologi membuat handoff elektron dapat disetel.”

Bukan fullerene

Seperti namanya, akseptor non-fullerene bukanlah fullerene, yang merupakan molekul karbon murni dengan struktur yang agak seragam dan geometris dari elemen pentagonal atau heksagonal yang berulang. Nanotube, graphene, dan jelaga adalah contoh fullerene, yang dinamai arsitek Buckminster Fuller, yang terkenal karena merancang kubah geodesik.

Fullerene lebih bergerigi dalam struktur molekuler dan tunability daripada non-fullerene, yang lebih bebas dirancang untuk menjadi floppy dan dapat ditekuk. Para donor dan akseptor yang berbasis NFA dapat saling membungkus seperti putaran adonan cokelat dan vanila yang tepat dalam kue Bundt, memberi mereka keuntungan di luar sumbangan dan penerimaan elektron – seperti pengemasan molekul yang lebih baik dalam suatu bahan.

“Poin lain adalah bagaimana molekul akseptor terhubung satu sama lain sehingga elektron yang diterima memiliki jalur konduktif ke sebuah elektroda,” kata Brédas. “Dan itu juga berlaku untuk para donor.”

Seperti pada sel surya mana pun, elektron konduksi membutuhkan jalan keluar dari bahan fotovoltaik ke dalam elektroda, dan harus ada jalur balik ke elektroda yang berlawanan untuk elektron yang tiba untuk mengisi lubang yang meninggalkan elektron yang tertinggal.

Kutipan yang sangat berdampak

Pujian Breda banyak, tetapi ia secara khusus mendapatkan perhatian untuk skor h-indeks Google Cendekia, sebuah perhitungan dampak publikasi seorang peneliti. Skor Breda saat ini yaitu 146 kemungkinan menempatkannya dalam 700 peneliti paling berpengaruh yang dipublikasikan dalam sejarah global modern.

Dia telah menjadi pemimpin yang sangat terkenal dalam penelitian fotolistrik dan semikonduktor berdasarkan kimia organik yang terjangkau dan praktis.

Advertisements