A szén alapú szerves félvezetők alacsonyabb költséggel és nagyobb rugalmassággal életképes alternatívát kínálnak – írja az Interesting Engineering.
„Potenciálisan csökkenthetik a napelemek előállítási költségeit, mivel ezeket az anyagokat oldat alapú módszerekkel tetszőleges felületekre lehet felvinni – akárcsak ahogyan a falat festjük” – magyarázta Wai-Lun Chan, a Kansasi Egyetem fizika és csillagászat docense.
De a szerves félvezetők mellett nem csak a költségmegtakarítás szól. Büszkélkedhetnek azzal a képességükkel is, hogy a fény meghatározott hullámhosszúságának elnyelésére hangolhatók, ami új lehetőségek sokaságát nyitja meg. „Ezek a jellemzők különösen alkalmassá teszik a szerves napelemeket a következő generációs zöld és fenntartható épületekben való felhasználásra” – jegyezte meg Chan.
Képzeljük el az áttetsző és színes napelemeket, amelyek zökkenőmentesen illeszkednek az építészeti tervekbe.
Mindezen előnyök ellenére a szerves napelemek nehezen érik el szilíciumból készült társaik hatékonyságát. Míg a szilícium panelek a napfény akár 25%-át is képesek elektromos árammá alakítani, addig a szerves cellák hatékonysága általában 12% körül mozog. Ez a különbség a széles körű elterjedés útjában állt.
A közelmúltbeli fejlesztések fokozták a szerves félvezetők körüli izgalmakat. A nem-fullerén akceptoroknak (NFA-k) nevezett anyagok új osztálya a szerves napelemek hatékonyságát a 20%-hoz közelítette, csökkentve a szilíciummal szembeni különbséget. A kansasi kutatócsoport azt akarta megérteni, hogy az NFA-k miért teljesítenek ennyivel jobban, mint más szerves félvezetők.
Vizsgálataik meglepő felfedezéshez vezettek: bizonyos körülmények között az NFA-kban lévő gerjesztett elektronok energiát nyerhetnek a környezetükből, ahelyett, hogy elveszítenék azt.
Ez a megállapítás szembemegy a hagyományos elképzeléssel. „Ez a megfigyelés ellentmond az intuíciónak, mivel a gerjesztett elektronok általában úgy adják át energiájukat a környezetnek, mint egy csésze forró kávé a hőt a levegőnek” – magyarázta Chan.
Kushal Rijal végzős hallgató vezetésével a csapat egy kifinomult technikával, az úgynevezett időfelbontású kétfotonos fotoemissziós spektroszkópiával kísérletezett. Ez a módszer lehetővé tette számukra, hogy a gerjesztett elektronok energiáját a másodperc trilliomod része alatt nyomon kövessék.
A kutatók úgy vélik, hogy ez a szokatlan energiagyarapodás a kvantummechanika és a termodinamika kombinációjából ered. Kvantumszinten a gerjesztett elektronok látszólag egyszerre több molekulán is létezhetnek.
A termodinamika második törvényével párosulva ez a kvantumos viselkedés megfordítja a hőáramlás irányát.
„A speciális nanoszerkezetben elrendezett szerves molekulák esetében a hőáramlás tipikus iránya megfordul, így a teljes entrópia növekszik” – magyarázta Rijal a sajtóközleményben. „Ez a fordított hőáramlás lehetővé teszi, hogy a semleges excitonok hőt nyerjenek a környezetből, és pozitív és negatív töltéspárra disszociáljanak. Ezek a szabad töltések viszont elektromos áramot tudnak termelni.”
A napelemek javításán túl a csapat úgy véli, hogy eredményeik a megújuló energiaforrások kutatásának más területein is alkalmazhatók. Úgy vélik, hogy a felfedezett mechanizmus hatékonyabb fotokatalizátorokat fog eredményezni a szén-dioxid szerves üzemanyagokká történő átalakítására.
„Annak ellenére, hogy az entrópia jól ismert fogalom a fizikában és a kémiában, eddig ritkán használták fel aktívan az energiaátalakító eszközök teljesítményének javítására” – hangsúlyozta Rijal.
Kiemelt kép forrása: Unsplash
Devenyi Dalma
