Badanie spinów w celu określenia nowych zasad projektowania materiałów na potrzeby fotowoltaiki organicznej

2020.04.20

Fotowoltaika oparta na elektronice organicznej daje duże nadzieje w dziedzinie energii odnawialnej. Aby racjonalnie projektować nowe materiały i udoskonalać tę technologię, konieczne jest jednak dogłębne zrozumienie procesów przemiany energii w nanoskali.

Organiczne urządzenia elektroniczne oparte są na małych organicznych cząsteczkach lub polimerach, które wykazują użyteczne właściwości elektroniczne, takie jak przewodnictwo. Niskie koszty i łatwość przetwarzania sprawiają, że są one konkurencyjne na rynku energii, a ich elastyczność i łatwość dostrajania, w tym różne kolory i stopnie przezroczystości, umożliwiają łatwe zastosowanie w projektach budynków.

W ramach współfinansowanego ze środków UE projektu SpinSolar wykorzystano spektroskopię elektronowego rezonansu spinowego do szczegółowej charakterystyki procesów zależnych od spinu w cząsteczkach organicznych i materiałach wykorzystywanych w fotowoltaice i optoelektronice. Badania przeprowadzono dzięki wsparciu programu Maria Skłodowska-Curie. „Wykrywanie spinów w nowych materiałach funkcjonalnych oraz charakteryzowanie ich środowiska i wzajemnych oddziaływań może pomóc w lepszym zrozumieniu, w jaki sposób właściwości molekularne determinują funkcjonowanie w potencjalnych zastosowaniach technologicznych”, mówi koordynator projektu, Jan Behrends.

Lepsze zrozumienie zależności między strukturą a właściwościami fizycznymi

Naukowcy wykorzystali spektroskopię elektronowego rezonansu spinowego, aby jeszcze lepiej poznać naturę i dynamikę cząsteczek paramagnetycznych w nowych organicznych materiałach funkcjonalnych. Spektroskopia elektronowego rezonansu spinowego jest wyjątkową techniką charakteryzacji stosowaną obecnie do badania tych materiałów, ponieważ pozwala na wyselekcjonowanie cząsteczek przenoszących niesparowane elektrony i zapewnia bezpośrednie informacje na temat ich środowiska w nanoskali. Członkowie zespołu badali zależność między strukturami molekularnymi organicznych cząsteczek i materiałów a ich właściwościami elektronowymi. Przebadali oni serię poskręcanych acenów, czyli cząsteczek organicznych opartych na pierścieniach benzenowych z bezpiecznikiem, które działają jako materiały aktywne w szeregu urządzeń wykorzystywanych w elektronice organicznej. Wyniki pokazały, jak zmieniał się rozkład niesparowanych elektronów w fotoekscytowanym stanie trypletowym cząsteczki w miarę jak zmieniał się jej układ planarny i jak to wpłynęło na jej właściwości. „W widmach zmierzonych za pomocą spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego wyraźnie dało się zauważyć nawet niewielkie zmiany stopnia skręcenia, co świadczy o wysokim stopniu czułości tej techniki”, wyjaśnia stypendystka programu Maria Skłodowska-Curie, Claudia Tait.

Nowe spojrzenie na istotne właściwości materiału

Jednym z głównych wyzwań stojących przed elektroniką organiczną jest kontrola przewodności polimerów za pomocą molekularnych domieszek. W związku z tym uczestnicy projektu SpinSolar badali domieszkę P3HT, polimeru organicznego, który dzięki utlenieniu może stać się materiałem przewodzącym. Rozważane jest zastosowanie go w ogniwach słonecznych, tranzystorach polowych i czujnikach chemicznych. „W badaniu wykorzystującym spektroskopię elektronowego rezonansu spinowego i optycznego porównaliśmy szereg różnych domieszek i różnych form polimeru, próbując zidentyfikować odpowiednie właściwości molekularne na potrzeby skutecznego domieszkowania”, zauważa Jan Behrends. Zdolność spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego do określenia ilościowego i charakteryzowania gatunków paramagnetycznych wytwarzanych przez domieszkowanie pokazała, że mechanizm domieszkowania jest determinowany przede wszystkim zdolnością polimeru do delokalizacji nabytego ładunku, a nie wielkością i kształtem cząsteczki domieszki. Naukowcy odkryli również, że różne domieszki mogą prowadzić do znacząco różnych sygnatur widmowych spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego w układzie polimer-domieszka i że do dokładnej charakterystyki wymagane są zaawansowane techniki impulsowe spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego dla wielu pasm częstotliwości. W odpowiedzi na szereg pytań, uczestnicy projektu SpinSolar z powodzeniem wykazali potencjał techniki spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego, w szczególności zaawansowanych metod pulsacyjnych. Claudia Tait i Jan Behrends podsumowują: „Wiedza na temat zależności między strukturą molekularną a właściwościami elektronowymi uzyskana za pomocą tej techniki może potencjalnie wpłynąć na projektowanie nowych materiałów funkcjonalnych i nowych kombinacji materiałów na potrzeby fotowoltaiki oraz innych urządzeń wykorzystujących elektronikę organiczną”.

https://cordis.europa.eu/article/id/415827-probing-spins-to-identify-new-material-design-rules-for-organic-photovoltaics/pl

właściciel praw autorskich: © Unia Europejska, 2020
Źródło: CORDIS, cordis.europa.eu

Wróć