Зміст
Коли молекули певної сполуки – тетрацену – розташовуються у формі наносніжинки, виникає т.зв. синглетне ділення – процес, який дозволяє отримати до двох електронів з одного фотона – показали польські та тайванські вчені. І вони сподіваються, що їхні дослідження допоможуть підвищити ефективність сонячних батарей.
Дослідження проводилися під керівництвом Dr. Przemysław Gawła з Інституту органічної хімії Польської академії наук. Першим автором дослідження, опублікованого в престижному журналі Angewandte Chemie, є доктор Мацей Майдецький з IChO PAN. Він – фотограф-хобі, який представляє красу хімічних реакцій і флуоресцентних сполук у своїх шановних онлайн-профілях (luminescent_chemist). Вчений зазвичай – завдяки надзвичайному ультрафіолетовому освітленню – показує, наскільки прекрасною може бути робота хіміка. Фотографії також увічнили його дослідження сполук, які можуть покращити роботу сонячних батарей.
НЕ НАЙСИЛЬНІШИЙ ЗВ'ЯЗОК
«Поки що максимальна теоретична ефективність фотоелектричних елементів може досягати 33 відсотків». – повідомляє доктор Мацей Майдецький в інтерв’ю PAP. Таким чином, кожен третій фотон, який потрапляє на сонячний елемент, призводить до вивільнення електрона (звідки походить струм). На жаль, багато фотонів, які потрапляють на панель, перетворюються на тепло, яке не використовується в панелях і навіть знижує їх ефективність і довговічність. Переважна більшість сонячної енергії не використовується. Жаль!
ФОТОН І ДВА ЕЛЕКТРОНИ
Надія на підвищення ефективності клітин полягає у використанні процесів, які більш ефективно перетворюватимуть світло в електрику. До них належать т. зв синглетний поділ. У цьому процесі, якщо один фотон потрапляє на задану структуру, він може утворити до двох електронів. – А це означає, що ефективність цього процесу становить аж 200 відсотків». – пояснює доктор Майдецький.
Перевага синглетного поділу полягає в тому, що його можна використовувати в нині широко використовуваних панелях на основі кремнію. Цей процес відбуватиметься в одному з багатьох шарів кремнієвої комірки. “Дослідження показують, що можна було б підвищити максимальну ефективність клітин до 45%. Є за що боротися”, – підсумовує доктор Майдецкі.
Науковець додає, що це досить нова тема дослідження. До сих пір для синглетних реакцій поділу охоче використовувалися молекули певної органічної сполуки – пентацена (його можна знайти в смолі, він складається з п'яти лінійно з'єднаних вуглецевих кілець – молекул бензолу).
«Пентацен чудово підходить для синглетного поділу, але, на жаль, енергія створюваних там електронів не адаптована до енергетичних рівнів кремнієвих напівпровідників — основного елемента клітин. Вчені шукають інші молекули, які б краще працювали з кремнієм», — коментує доктор. Майдецький.
ТЕТРАЦЕН БЕЗКОШТОВНО
Дослідження групи д-ра Гавла з IChO PAN стосуються тетрацену. Це «менший двоюрідний брат» пентацену – вуглеводню, що складається з чотирьох бензольних кілець. Ця сполука (недорога в отриманні, помаранчевий порошок) працює набагато краще, оскільки порції вивільненої в ній енергії ідеально гармонують із властивостями кремнію.
«Наша публікація показує, що ця сполука, єдина молекула якої не здійснює синглетного поділу, може досягти максимуму в перетворенні світла в енергію. Однак це вимагає використання точного молекулярного пошиття та приготування олігомеру з відповідну структуру з цієї сполуки».
Олігомер — це менша за полімер структура — молекула, що складається з кількох (не більше шести) фрагментів — мономерів.
ЗІРКОВІ СИЛИ
Хіміки використовували «молекулярну чашу», щоб упорядкувати мономери тетрацену в наносніжинки. Завдяки правильному розташуванню молекул в олігомері вдалося поступово збільшити ефективність синглетного розщеплення в тетрацені приблизно з 50 до 200%.
Отже, якщо «дворукій» сніжинці тетрацену для отримання одного електрона потрібні були два фотони, то шестирука сніжинка, використовуючи один фотон, уже змогла вивільнити два електрони (з енергією, сумісною з кремнієм), що є максимально можливим. Процеси, що відбуваються в наступних гілках олігомеру, були пов'язані та взаємно посилені.
Цікаво, що в наносніжинці молекули тетрацену розділені. Центральне ядро утримує їх у безпосередній близькості, але не з’єднує безпосередньо.
Методи та сполуки, які хіміки використовували для виготовлення вуглеводневих сніжинок, уже зацікавили вчених, які працюють над іншими явищами, що підвищують ефективність фотоелектричної енергії.
МАЛЕНЬКЕ, АЛЕ…
Таким чином, ефективність синглетного поділу та частки енергії, отримані в зірках тетрацену, є великими, а процес виробництва наносніжинок може бути дешевим. Однак стабільність тетрацену залишається проблемою, оскільки, на жаль, світло руйнівно діє на цю сполуку. Доктор Майдекі згадує, що навіть не намагався зафіксувати тетраценові наносніжинки на фотографіях, тому що вони швидко псуються під впливом УФ-світла.
А псування під впливом світла не є бажаною властивістю матеріалів, які будуть постійно піддаватися впливу сонця. «Однак ми боремося, щоб обійти цю проблему та досягти стабільних відносин», — коментує д-р Майдецкі.
Інша проблема полягає в тому, що досі властивості тетраценових зірок вивчали – адже це простіше – тільки в розчині. Однак є вказівки на те, що ці властивості будуть набагато кращими в твердій речовині, ніж у розчині. Однак команда з IChO PAN не в змозі дослідити це — потрібна інша команда, щоб перевірити ідею хіміків на прототипі пристрою.
«І це часто для нас проблема. Ми розробляємо та виробляємо молекули зі справді надзвичайними властивостями, але потім польська промисловість не зацікавлена в результатах нашої роботи, і наша робота не має застосування», – зітхає доктор Майдецький.
Наука в Польщі, Людвік Томал
lt/ zan/
