p A criação da próxima geração de células solares e sensores requer um olhar atento sobre como a luz interage com os materiais que respondem à luz. A pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) está avançando esse entendimento em direção a um futuro com flexibilidade, células solares altamente eficientes e ferramentas ópticas de ponta. p Para projetar novas tecnologias que aproveitam a luz usando materiais orgânicos, os cientistas estão explorando as funções moleculares básicas em jogo. Por exemplo, o uso de componentes à base de carbono especialmente projetados pode permitir flexibilidade, células solares de filme fino, ou fotovoltaica. Este tipo de material pode permitir tudo, desde vidros coloridos para geração de energia até carregadores portáteis, expandindo a energia solar muito além do tradicional, painéis de telhado à base de silicone. Contudo, ainda há muito a ser descoberto sobre quais blocos de construção para esses fotovoltaicos orgânicos proporcionarão alta eficiência, durabilidade e baixo custo.

p "Em algumas formas, fotovoltaicos hoje são como os primeiros anos da indústria automobilística, "disse Richard Schaller, um físico químico em Argonne e professor na Northwestern University. "Uma dúzia ou mais abordagens diferentes de engenharia e materiais visam utilizar energia solar, mas eles têm como alvo vários mercados identificados, além de responder a diferentes fatores de custo e desempenho. "

p Esses materiais são espessos, inorgânicos cristalinos de alta pureza, como silício, a baixo custo, plásticos orgânicos muito mais finos e moléculas pequenas que precisam de menos energia inicial para serem fabricados.

p O coração das células solares orgânicas é composto de regiões separadas conhecidas como doadores de elétrons e aceitadores de elétrons. Quando os fótons da luz solar atingem essas regiões, os fótons depositam energia em elétrons carregados negativamente, que são excitados e produzem buracos carregados positivamente onde os elétrons estavam. Esses pares elétron-buraco se unem devido à carga oposta e são chamados de excitons. Quando excitons encontram a interface entre doador e aceitador, eles podem se dividir, facilitando a transferência separada de elétrons movendo-se em direção a um eletrodo e orifícios em direção ao outro, gerando uma corrente.

p Esférico, moléculas ocas de carbono conhecidas como fulerenos são ótimos aceitadores dentro de uma célula, mas os fulerenos têm desvantagens, disse Lin Chen, um Distinguished Fellow em Argonne e professor de química na Northwestern University.

p "O fulereno é difícil de sintetizar, e mais caro em peso do que ouro, "Ela disse." Tem sido um processo contínuo para encontrar aceitadores não-fulerenos que sejam econômicos e robustos para células solares orgânicas de longa duração. "

p Chen, Schaller e colegas estão estudando derivados de perilenodiimida (PDI), que são alternativas potenciais aos fulerenos com base em uma classe de pigmentos baratos. Em um estudo recente, os pesquisadores examinaram seis variações de PDIs sintetizadas por Luping Yu, coautor do estudo e professor de química na Universidade de Chicago, e seus colegas. O objetivo era ver como as mudanças na estrutura molecular afetavam a eficiência de conversão de luz dos PDIs.

p Essas moléculas de PDI estão ligadas em pares chamados dímeros para melhorar suas comunicações eletrônicas com materiais de doadores. O estudo comparou as atividades entre esses dímeros com ligantes de diferentes comprimentos e rigidez. A pesquisa, que foi publicado no jornal Ciência Química em junho, 2020, Combinou experiência experimental e teórica entre os colaboradores para montar a caracterização mais abrangente ainda de diferentes estruturas PDI para fotovoltaicos.

p Do lado experimental, pesquisadores examinaram os dímeros com emissão ultrarrápida e espectroscopia de absorção transiente para medir em tempo real a dinâmica da geração de excitons, evolução e decadência. Esses estudos ópticos, que ajudam a rastrear com sensibilidade a atividade do exciton, registrando diferentes espectros de luz conforme os fótons são absorvidos ou emitidos pelo material, foram realizados no Centro de Materiais em nanoescala (CNM) da Argonne, um DOE Office of Science User Facility.

p As medições de luz resolvidas no tempo foram validadas por meio de cálculos abrangentes de George Schatz, coautor do estudo e professor de química na Northwestern University, que junto com colegas examinaram a dependência estrutural dos níveis de energia nessas moléculas, por exemplo, como o linker entre dois PDIs modifica a densidade do fluxo de elétrons entre eles.

p Em um estudo separado, Chen, Schaller e colegas avaliaram a atividade do exciton de moléculas montadas conhecidas como estruturas orgânicas covalentes bidimensionais, ou COFs 2D, desenhado pelo co-autor do estudo William Dichtel e colegas da Northwestern University. COFs têm potencial para uso em diodos emissores de luz, sensores químicos e fotovoltaicos - sua precisão geométrica se presta ao transporte eficiente de energia. Mas pouco se sabe sobre como os elétrons realmente se comportam nesses materiais emergentes.

p COFs 2D se assemelham a flocos de neve que podem ser empilhados ou vinculados para criar uma rede de transporte de elétrons. À medida que eles se unem, suas propriedades mudam, e os pesquisadores queriam saber por quê. Eles inspecionaram essas estruturas cristalinas, novamente usando espectroscopia de absorção transiente na Northwestern University e CNM e também a linha de luz da Equipe de Acesso Colaborativo DuPont-Northwestern-Dow (DND-CAT) na Fonte Avançada de Fótons, um DOE Office of Science User Facility em Argonne.

p O pó espalha a luz a uma extensão que torna difícil caracterizá-la com espectroscopia. Para contornar este problema, os pesquisadores criaram uma solução coloidal de COFs, permitindo a caracterização fotofísica que não teria sido possível de outra forma.

p "COFs coloidais estão em um estágio bem inicial, "Schaller disse." No passado, eles só foram feitos como pós sólidos, e assim, apenas estudar suas propriedades tem sido um desafio que William Dichtel conseguiu abrir. "

p A espectroscopia foi usada para medir a atividade eletrônica, enquanto a linha de luz DND-CAT ajudou a medir o tamanho e o empacotamento molecular do domínio cristalino dos COFs.

p "Descobrimos uma mobilidade muito alta de excitons nos COFs 2D, o que foi inesperado, "Chen disse." As descobertas reforçam a promessa dessas estruturas para aplicações optoeletrônicas em potencial. "

p Os resultados da equipe são detalhados no artigo "Grandes coeficientes de difusão de exciton em estruturas orgânicas covalentes bidimensionais com diferentes tamanhos de domínio revelados por dinâmica de exciton ultrarrápida, "que foi publicado em julho passado no Jornal da American Chemical Society .