Badania nad materiałami krystalicznymi pochodzenia organicznego umożliwiają tworzenie nowatorskich ogniw słonecznych
Pomimo że udało nam się osiągnąć imponujące postępy w dziedzinie organicznych układów fotowoltaicznych, dotychczas nie byliśmy w stanie kontrolować ich struktury nanoskalowej. Opracowanie systemów modelowych z dobrze zdefiniowanymi przestrzennie, występującymi okresowo, wzajemnie przenikającymi się sieciami donorów i akceptorów elektronów stanowiłoby ogromny przełom w tej dziedzinie. Uczestnicy finansowanego przez Unię Europejską projektu ECOF (Electroactive Donor-Acceptor Covalent Organic Frameworks) podjęli się opracowania rozwiązania polegającego na stworzeniu wysoce zdefiniowanych systemów modelowych w celu zwiększenia naszej wiedzy na temat związku pomiędzy parametrami elektronicznymi i strukturalnymi, a także wynikającej z nich dynamiki nośników ładunku indukowanego przez światło. Badacze oparli swoje badania na organicznych sieciach kowalencyjnych, będących nowo odkrytą klasą wysoce porowatych organicznych materiałów krystalicznych, których molekularne elementy składowe łączą się ze sobą przy pomocy wiązań kowalencyjnych. „Te wielowarstwowe dwuwymiarowe oraz trójwymiarowe polimery pozwolą nam na osiągnięcie dużo większej kontroli nad strukturą oraz zdobycie nowej wiedzy na temat ich właściwości fizycznych”, twierdzi koordynator projektu Thomas Bein. Ten wyjątkowy interdyscyplinarny projekt łączył w sobie dziedziny syntezy organicznej na najwyższym poziomie z zaawansowanymi zagadnieniami nanonauki oraz dogłębną charakteryzacją właściwości fizycznych. „Uzyskanie możliwości budowania architektur opartych na organicznych sieciach kowalencyjnych w nano- i mikroskali ma kluczowe znaczenie dla realizacji nowych możliwości” wyjaśnia Bein.
Wysoki stopień uporządkowania
Partnerzy skupieni wokół projektu opracowali organiczne sieci kowalencyjne, które mogą tworzyć fazy półprzewodnikowe, w tym sieci obejmujące przenikające się wzajemnie fazy posiadające właściwości donorowe i akceptorowe. „Nowatorskie sieci mogą docelowo służyć jako okresowe heterozłącza oferujące możliwość połączenia materiałów donorowych i akceptorowych w jednym urządzeniu, które może pozyskiwać energię ze światła słonecznego, wytwarzać ekscytony, a następnie rozdzielać je na ładunki gromadzone na elektrodach lub przekształcane w wiązania chemiczne”, tłumaczy Bein. Co więcej, wysoki stopień uporządkowania tych układów dostarcza nam nowej dogłębnej wiedzy na temat dynamiki nośników ładunku, co pozwoli naukowcom na opracowywanie ogniw słonecznych charakteryzujących się większą sprawnością, a także szeregu innych urządzeń optoelektronicznych. Współpracując z chemikami organicznymi, zespół stworzył organiczne sieci kowalencyjne obejmujące różne heteroaromatyczne struktury donorów i akceptorów elektronów. Pozwoliło to na stworzenie wysoce uporządkowanych, przenikających się sieci pozwalających na rozdzielanie ładunków indukowanych przez światło. W celu realizacji swoich ambitnych założeń, naukowcy skupieni wokół projektu ECOF rozpoczęli prace od syntezy wielofunkcyjnych molekularnych elementów budulcowych, które pozwoliły na stworzenie krystalicznych organicznych sieci kowalencyjnych. W ramach projektu badacze opracowali strategie wzrostu cienkich warstw, obejmujących między innymi warstwy orientowane na podłożach przewodzących, a także budowy urządzeń. Ponadto powstały także szczegółowe charakterystyki parametrów optoelektronicznych oraz dynamiki nowych układów.
Stworzenie mikrostruktur
Szczegółowe badania mechanistyczne ujawniły zależną od czasu transformację początkowych aglomeratów przypominających arkusze w mikrostruktury rurkowe. Jak mówi Bein: „Co zaskakujące, uzyskane organiczne sieci kowalencyjne charakteryzowały się zdolnością do spontanicznego tworzenia mikrostruktur rurkowych, złożonych z rurek o średnicy zewnętrznej i wewnętrznej wynoszącej odpowiednio około 300 i 90 nm”. Dalsza modyfikacja właściwości luminescencyjnych organicznych sieci kowalencyjnych jest możliwa dzięki wszczepianiu struktur fluorescencyjnych w ściany funkcjonalnych układów opartych na sieciach. „Udało nam się między innymi opracować nowatorskie organiczne sieci kowalencyjne oparte na kwasie terfenylo-diboronowym, charakteryzujące się otwartymi porami o średnicy wynoszącej około 4,1 nm”, dodaje Bein. Projekt ECOF otworzy nowe możliwości generowania precyzyjnych modeli oraz prognoz dotyczących relacji między przestrzenną i elektroniczną strukturą organicznych półprzewodników oraz ich działania optoelektronicznego. „Wierzymy, że uzyskana przez nasz zespół wiedza okaże się kluczowa dla projektowania wysoce sprawnych urządzeń opartych na organicznych półprzewodnikach, takich jak organiczne ogniwa słoneczne i organiczne diody elektroluminescencyjne”, podsumowuje Bein.
Słowa kluczowe
ECOF, organiczne sieci kowalencyjne, elektron, donor, akceptor, krystaliczny, ogniwo słoneczne, optoelektroniczny, struktury, półprzewodnik, heterozłącze, polimer, kwas terfenylo-diboronowy
