Kiedy ustawi się cząsteczki pewnego związku – tetracenu – w kształt nanośnieżynki, z maksymalną wydajnością zachodzi tam tzw. rozszczepienie singletowe – proces, który umożliwia pozyskanie z jednego fotonu aż dwóch elektronów – pokazują polscy i tajwańscy naukowcy. I liczą na to, że ich badania pomogą poprawić wydajność paneli słonecznych.
Badania prowadzone były pod kierunkiem dr. Przemysława Gawła z Instytutu Chemii Organicznej PAN. Pierwszym autorem badań – opublikowanych w prestiżowym „Angewandte Chemie” (DOI: 10.1002/anie.202401103) – jest dr Maciej Majdecki z IChO PAN. To fotograf-hobbysta, który na swoich cieszących się dużym uznaniem profilach internetowych (luminescent_chemist) prezentuje piękno reakcji chemicznych i związków fluorescencyjnych. Naukowiec zwykle – dzięki niezwykłemu oświetleniu UV – pokazuje, jak piękna może być praca chemika. Na fotografiach uwiecznił również swoje badania nad związkami, które mogą usprawnić funkcjonowanie paneli słonecznych.
Foton i dwa elektrony
– Na razie maksymalna teoretyczna wydajność ogniw fotowoltaicznych dochodzić może do 33 proc. – informuje dr Maciej Majdecki. Tak więc co trzeci foton, który trafia do ogniwa słonecznego, prowadzi do uwolnienia elektronu (to stąd bierze się prąd). Niestety, sporo fotonów zaś uderzających w panel zmienianych jest w ciepło, z którego w panelach się nie korzysta, i które wręcz zmniejsza ich sprawność i trwałość. Energia słoneczna w znacznej większości nie jest zagospodarowana.
Nadzieją na zwiększenie wydajności ogniw jest skorzystanie w nich z procesów, które sprawniej będą zamieniać światło w elektryczność. Do nich należy tzw. rozszczepienie singletowe (ang. singlet fission). W procesie tym, jeśli w daną strukturę uderzy jeden foton, jest ona w stanie wyprodukować aż dwa elektrony. – A to oznacza, że wydajność tego procesu to aż 200 proc. – tłumaczy dr Majdecki.
Zaletą rozszczepienia singletowego jest możliwość zastosowania go w obecnie szeroko stosowanych panelach opartych na krzemie. Proces ten zachodziłby w jednej z wielu warstw krzemowego ogniwa. – Badania pokazują, że można byłoby dzięki temu podnieść maksymalną wydajność ogniw nawet do 45 proc. Jest o co walczyć – podsumowuje dr Majdecki.
Naukowiec dodaje, że to dość nowy temat badań. Na razie do reakcji rozszczepienia singletowego wykorzystywano chętnie cząsteczki pewnego związku organicznego – pentacenu (można go znaleźć w smole, tworzy go pięć połączonych ze sobą liniowo pierścieni węglowych – cząsteczek benzenu).
– Pentacen świetnie nadaje się do rozszczepiania singletowego, ale niestety energia elektronów, które tam powstają, jest niedostosowana do poziomów energetycznych półprzewodników krzemowych – bazowego elementu ogniw. Naukowcy szukają więc innych cząsteczek, które lepiej współgrałyby z krzemem – komentuje dr Majdecki.
Tetracen
Badania zespołu dr Gawła z IChO PAN dotyczą tetracenu. To „mniejszy kuzyn” pentacenu – węglowodór składający się z czterech pierścieni benzenu. Ten związek (niedrogi do uzyskania, pomarańczowy proszek) spisuje się o tyle lepiej, że porcje energii w nim uwalniane świetnie współgrają z właściwościami krzemu.
– Nasza publikacja pokazuje, że z tego związku, którego pojedyncza cząsteczka nie przeprowadza rozszczepienia singletowego, można osiągnąć maksimum w przetwarzaniu światła na energię. Trzeba jednak do tego wykorzystać precyzyjne „krawiectwo molekularne” i przygotować z tego związku oligomer o odpowiedniej strukturze – wskazuje.
Oligomer to struktura mniejsza niż polimer – cząsteczka złożona z kilku (najwyżej sześciu) fragmentów – monomerów.
Chemicy na bazie „molekularnej miseczki” układali monomery tetracenu w nanośnieżynki. Dzięki właściwemu ustawieniu cząsteczek w oligomerze można było stopniowo podnieść wydajność rozszczepienia singletowego w tetracenie z ok. 50 do 200 proc.
Jeśli więc “dwuramienna” śnieżynka tetracenu potrzebowała dwóch fotonów, aby uzyskać jeden elektron, to sześcioramienna śnieżynka przy wykorzystaniu jednego fotonu była już w stanie uwolnić dwa elektrony (o energii kompatybilnej z krzemem), a więc najwięcej, ile się da. Procesy zachodzące w kolejnych ramionach oligomeru sprzęgały się bowiem i wzajemnie wzmacniały.
Co ciekawe, w nanośnieżynce cząsteczki tetracenu są rozdzielone. Centralny rdzeń utrzymuje je w prawdzie w bliskiej odległości, ale nie są bezpośrednio połączone.
Metodami i związkami, które chemicy użyli do uszycia węglowodorowych śnieżynek, interesują już naukowców, którzy pracują nad innymi zjawiskami zwiększającymi wydajności fotowoltaiki.
Ale…
Wydajność singlet fission i porcje energii uzyskane w tetracenowych gwiazdkach są więc świetne, a proces produkcji nanośnieżynek mógłby być tani. Problemem jest jednak jeszcze stabilność tetracenu, bo niestety światło działa na ten związek w sposób destrukcyjny. Dr Majdecki wspomina, że tetracenowych nanośnieżynek na zdjęciach nie próbował nawet uwieczniać, bo pod wpływem światła UV szybko się psują.
A niszczenie pod wpływem światła przecież nie jest pożądana właściwość w materiałach, które będą stale wystawione na działanie słońca. – Walczymy jednak o to, żeby ten problem obejść i żeby uzyskać związek stabilny – komentuje dr Majdecki.
Problemem jest też to, że na razie właściwości tetracenowych gwiazd zbadano – bo to prostsze – jedynie w roztworze. Są jednak przesłanki, że w ciele stałym właściwości te będą o wiele lepsze niż w roztworze. Tego jednak zespół z IChO PAN nie jest w stanie zbadać – potrzebny jest kolejny zespół, który pomysł chemików przetestuje w prototypowym urządzeniu.
– A z tym często jest u nas problem. Projektujemy i wytwarzamy cząsteczki o naprawdę niezwykłych właściwościach, ale potem polski przemysł nie interesuje się wynikami naszych prac i prace te nie znajdują zastosowania – wzdycha dr Majdecki.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, Ludwika Tomala, fot. Pexels/ CC0