Pesquisadores da Christian-Albrechts-University of Kiel (CAU), Alemanha, integrou com sucesso o estanho orgânico em polímeros semicondutores (plásticos) pela primeira vez. Polímeros semicondutores podem ser usados, por exemplo, para a absorção da luz solar em células solares. Ao incorporar estanho orgânico ao plástico, a luz pode ser absorvida em uma ampla faixa do espectro solar. O novo polímero é apresentado pela líder do projeto, Professora Anne Staubitz e o aluno de Ph. D. Julian Linshöft no renomado jornal profissional " Angewandte Chemie, Edição Internacional. "

Ao contrário dos condutores elétricos, como metais, semicondutores são materiais que conduzem eletricidade apenas sob certas circunstâncias, por exemplo, sob irradiação com luz. Por causa dessa propriedade, os plásticos semicondutores (também chamados de polímeros semicondutores) são materiais altamente promissores para a última geração de células solares - células solares orgânicas. Em comparação com as variantes inorgânicas clássicas, sua fabricação pode ser mais barata e são materiais muito leves, o que pode ser vantajoso para muitas aplicações, por exemplo, no setor de transportes. "Contudo, as células solares orgânicas ainda não alcançam as mesmas eficiências que as células solares inorgânicas baseadas em silício, de modo que há uma necessidade substancial de pesquisas nesta área ", Anne Staubitz, do Otto Diels-Institute, contextualiza sua área de pesquisa.

Um critério importante de tais semicondutores é a eficiência com que absorvem a luz solar para convertê-la em eletricidade. Quando a luz do sol é convertida em eletricidade, elétrons carregados negativamente no semicondutor estão sendo elevados de um nível de energia para um nível de energia mais alto. Esse processo deixa para trás um "buraco" carregado positivamente no nível de energia inferior. Então, as cargas percolam separadamente para os diferentes pólos elétricos:Uma corrente pode ser observada. A luz solar é capaz de iniciar este processo. Quanto mais próximos esses níveis de energia estão juntos, mais fácil é esse processo:mais fótons podem ser absorvidos e, portanto, mais energia solar pode ser usada. Polímeros, em que este gap ("band gap") entre os níveis de energia é pequeno, tem um vermelho, em casos raros, até mesmo uma cor roxa.

Um objetivo da pesquisa de semicondutores orgânicos sintéticos é, portanto, produzir polímeros orgânicos com pequenas lacunas de energia (ou lacunas de banda). Contudo, o desenvolvimento de uma forte absorção de luz, plásticos profundamente coloridos são muito difíceis e, portanto, uma área muito ativa na pesquisa atual. “Com o novo material dos nossos laboratórios, é visível a olho nu que tivemos sucesso no desenvolvimento desses plásticos! ", diz Staubitz. O polímero é roxo profundo em solução e quase preto quando processado em um filme fino.

A fim de alcançar lacunas de energia muito pequenas, os cientistas de Kiel usaram um novo conceito. Eles incorporaram estanho orgânico na forma de moléculas cíclicas ("estanóis") na estrutura do polímero de carbono. O estanho pertence ao mesmo grupo químico do carbono e, portanto, é semelhante em algumas de suas propriedades. As propriedades eletrônicas, entretanto, entre os estanóis e os correspondentes congêneres de carbono (ciclopentadienos) são muito diferentes. "O estanho não é apenas um átomo de carbono com excesso de peso", Anne Staubitz explica. "Pode reduzir drasticamente os níveis de energia em seus compostos orgânicos." Mas até agora, ninguém foi capaz de usar essas propriedades especiais do estanho em materiais poliméricos.

Juntar esses blocos de construção moleculares individuais (os monômeros) foi uma tarefa difícil para os pesquisadores:os monômeros não continham apenas o estanho desejado nas próprias unidades de estanolo; estanho orgânico também estava presente nos grupos de acoplamento reativo que eram necessários para unir os monômeros para formar o polímero. Apenas esses grupos deveriam reagir, ao passo que os anéis de estanole não devem ser atacados. Isso foi vital, porque qualquer reação lateral indesejada levaria a um encurtamento significativo da cadeia do polímero, levando a uma deterioração substancial da qualidade do polímero. "Este foi um projeto de alto risco, porque as reações de acoplamento que podem selecionar entre dois grupos diferentes de estanho orgânico não eram conhecidas na química antes ", Staubitz diz. Portanto, O estudante de doutorado Julian Linshöft não apenas teve que desenvolver um programa seletivo, mas uma reação de acoplamento cruzado altamente seletiva. “A primeira dificuldade foi encontrar os padrões de reatividade corretos para os monômeros”, Linshöft lembra. "Por esta, não havia nenhuma pista na literatura química até agora. "

O experimento foi um sucesso. A equipe conseguiu preparar o plástico desejado usando paládio como catalisador de reação. O material pode ser facilmente processado em filmes finos, que são pretos brilhantes e cuja aplicação em células solares pode agora ser testada. Linshöft, cujo trabalho foi financiado por uma bolsa da Fundação Alemã para o Meio Ambiente diz:"Finalmente, somos capazes de preparar esses novos plásticos semicondutores. Todo o seu potencial pode ser avaliado em um futuro próximo. "