Excitontechnika

Excitontechnika

Az excitonok olyan elektron-lyuk párok, amelyek a fény és bizonyos típusú anyagok kölcsönhatásakor keletkeznek. Energetikájuk és transzportjuk központi szerepet játszik a napenergia-folyamatokban. Az exciton szabad elektronná és szabad lyukká történő szétválása a hasznosítható elektromos energia forrása például egy polimer heterojunction fotovoltaikus vagy egy festékérzékenyített napelemben. Az excitonok diffúziója egy olyan mesterséges határfelületre, amely ezt követően elektronokra és lyukakra képes szétválasztani őket, továbbra is központi kihívás számos fotovoltaikában. A Strano laboratórium a transzport- és reakciótechnika eszközeit alkalmazza ezekre a fontos fajokra, és a szintetizált nanoszerkezeteket “exciton-reaktoroknak” tekinti.

Mivel az exciton semleges részecske, ugyanazokkal a populációs mérlegekkel, tömegátviteli és kémiai kinetikai megközelítésekkel írható le, amelyeket a vegyészmérnökök jól ismernek és széles körben alkalmaznak. Fogalmilag az exciton hasonló a hidrogénatomhoz (1. ábra (a)): egy elektron kering egy proton (azaz egy lyuk) körül, amelyeket Coulomb kölcsönhatások kötnek össze. Az 1. (b) ábra ehhez képest egy Frenkel-excitont mutat: egy elektron a valenciasávból a vezetési sávba került, egy lokalizált, pozitív töltésű lyukat hagyva maga után. A Coulomb kölcsönhatások viszonylag erősek az alacsony dielektrikusságú vagy alacsony dimenziójú anyagokban. A dielektromos árnyékolás miatt azonban a kötési energia kisebb és a részecskeméret nagyobb, mint a hidrogénatomé. Az 1. (c) ábra egy elsőrendű bomlási reakciót mutat: az exciton sugárzási rekombinációját, amely fotolumineszcenciát eredményez. Egy másik első más bomlási reakció a hibák által közvetített nem sugárzásos bomlás, amely egy fonont eredményez (1. ábra (d)). A másodrendű reakcióra példa az exciton-exciton annihiláció (EEA), amikor két exciton ütközésekor az egyik megsemmisül, míg a másik az ütközés energiáját felhasználva magasabb energiaszintre emelkedik (1. ábra (e)). Az exciton-energia transzfer (EET) a diffúzió egy formájának tekinthető (1. ábra (f)). Erről a témáról bővebben itt olvashat.

1. ábra. Az excitonokat érintő “reakciók”.

Projektterület: A szén nanocsövek és a félvezető polimerek kombinációja iránt jelentős érdeklődés mutatkozik fotovoltaikus alkalmazásokban, a kisebb exciton-transzporttávolságokból és a fokozott töltésszétválasztásból származó potenciális előnyök miatt. Mivel a fotovoltaikus teljesítmény szűk keresztmetszetét gyakran az excitonok diffúziója jelenti egy olyan határfelületig, amely képes elektronokra és lyukakra disszociálni, mint például egy p-n átmenet, az egyik ötlet egy olyan anizotróp anyag, például egy nanocső vagy nanodrót használata, amely képes az excitont a felületén disszociálni és az így keletkező szabad elektront a katódhoz szállítani. Reakciótechnikai szempontból ez analóg a diffúzióvezérelt reakció megkerülésének a katalitikus felület növelésével. A szén nanocsövek esetében azonban a tömeges heteroátmenet (BHJ) eszközök rendkívül gyenge hatásfokot mutattak eddig nem egészen érthető okokból, mivel fullerén társaik, például a C60 és a PCBM, valamint ezek származékai nagyon hatékony elektronakceptorok, és rutinszerűen használják őket BHJ eszközökben.

Mivel keveset értünk a nanocső/félvezető polimer határfelületről, Ham és Paulus et al. egy síkbeli nano-heterojunction fotovoltaikus eszközt építettek, amely jól izolált milliméteres egyfalú szén nanocsövekből állt egy poli(3-hexiltiofén) (P3HT) réteg alatt (2. ábra). Ebben az egyszerű konfigurációban az így létrejött csomópontok nanocsövenként 3% és 3,82% közötti fotovoltaikus hatásfokot mutattak, ami 50-100-szorosan meghaladja a polimer/nanocsöves BHJ-k hatásfokát. A növekedés az aggregátumképződés hiányának tulajdonítható ebben a síkbeli eszközgeometriában.

2. ábra. SWNT-P3HT síkbeli heteroátmenet

Érdekes, hogy 60 nm vastag P3HT-réteg esetén maximális fotóáramot és hatékonyságot figyeltek meg, ami ellentmond a P3HT-ban lévő excitonok diffúziós hosszával (8,5 nm) megegyező várható értéknek. Paulus és munkatársai egy optikai T-mátrix modellt kombináltak KMC szimulációval a fotóáram keletkezésének vizsgálatára. Az optikai modell eredménye (az excitonok generációs sebessége az eszközben elfoglalt pozíció függvényében) egy First Reaction Model, a KMC egy speciális típusának bemeneteként szolgál. A modell bemutatja, hogy a P3HT/SWCNT esetben egy ömlesztett exciton-nyelő magyarázza ezt az eltolt maximumot, míg a P3HT/PCBM esetben a maximumot elsősorban a P3HT-ban interdiffundáló PCBM határozza meg.

A modell eredményei alapján lehetővé válik a polimer hibrid napelemek (síkbeli és ömlesztett) intelligensebb tervezése és nagyobb hatásfok felé történő optimalizálása.

Projektterület:

Az optikai koncentráció és a fotongyűjtés új fotonikus anyagainak kifejlesztése kulcsfontosságú az olyan alkalmazásokhoz, mint a nagyobb hatásfokú fotovoltaikus cellák és az infravörös fotoemitterek/fotodetektorok. Az olyan egydimenziós anyagok, mint az egyfalú szén nanocsövek, ígéretes jelöltek az összehangolt axiális átmeneti dipólusok, a nagy abszorpciós keresztmetszetek és a nagy kvantumhatásfok miatt. Az SWCNT-k fotonikai alkalmazásait azonban mindig is akadályozta, hogy hajlamosak inhomogén összetételű kötegekbe aggregálódni, és hogy korábban nem tudtuk elkülöníteni az optikailag különböző fajokat. A legújabb fejlesztések lehetővé tették ezt az elválasztást preparatív léptékben. Han és Paulus és társai dielektroforetikusan homogén összetételű SWNT-ket állítottak össze összehangolt szálakká, amelyek erős fotolumineszcenciát (PL) eredményeztek. E filamentumok egyedi módon történő megtervezésével ki lehet használni a fentebb leírt Förster-rezonancia-energiatranszfert (FRET), ahol a nagyobb sávhézaggal rendelkező SWNT-ken található excitonok hajlamosak energiájukat átadni a kisebb sávhézaggal rendelkező SWNT-ken található excitonoknak (3. ábra (a-b)). Ezek a szálak egy nagyobb sávhézagú (6,5) SWCNT-kből (Eg = 1,21 eV) álló gyűrűs héjból állnak, amely egy kisebb sávhézagú SWNT-kből álló magot vesz körül (Eg = 1,17 eV a (7,5) SWCNT-k esetében és 0,98 eV a (8,7) SWNT-k esetében). Az ultraibolya és a közeli infravörös hullámhosszú tartományban a szélessávú abszorpció ellenére a kísérleti eredmények kvázi szinguláris fotoemissziót jeleztek azon a hullámhosszon, amely megfelel a (8,7) SWNT (a szálban a legkisebb sávhézaggal rendelkező SWNT) E11 sávhézagának (3. ábra c)). Mivel ezek a legkisebb sávhézagú SWNT-k a szál közepén helyezkednek el, a fény lényegében koncentrálódott, mind energetikai, mind térbeli szempontból. Ahogy a különböző SWNT-kiralitások jobb elkülönítése lehetővé válik, úgy lehet majd olyan szálakat tervezni, amelyek a fényt a kívánt hullámhosszra fókuszálják, ami az alkalmazástól függően változhat. A kísérleti adatok a fotoemisszió szokatlanul éles, reverzibilis csökkenését is feltárják, amely akkor következik be, amikor az ilyen szálakat a környezeti hőmérsékletről mindössze 357 K-ra ciklizálják. Felállítottunk egy determinisztikus modellt, amely figyelembe veszi az excitonok keletkezését, a FRET-et a nagyobb sávhézagú SWNT-kről a kisebb sávhézagú SWNT-kre, az excitonok sugárzó és nem sugárzó bomlását az SWNT-szálakban, és illesztettük a PL kísérleti adataikhoz. A krad sugárzási sebességi állandó és a kFRET FRET sebességi állandó a vizsgált tartományban kis hőmérsékletfüggést mutat. A hiba által közvetített nem sugárzó sebességi állandó knrad a klasszikus Arrhenius-viselkedést követi, az exciton-exciton annihilációs sebességi állandó kEEA pedig ütközéselmélettel modellezhető, ami egy hőmérsékletfüggő prefaktort tartalmazó módosított Arrhenius-kifejezést eredményez. Ez az előtényező azt jelzi, hogy a hőmérséklet növekedésével az ugyanazon SWNT-n tartózkodó két exciton gyorsabban diffundál az SWNT hossza mentén, növelve az ütközés esélyét. Ez az erősen hőmérsékletfüggő másodrendű EEA-folyamat felelős a PL kioltásáért magas hőmérsékleten. Ezek az eredmények meggyőzően bizonyították, hogy a nanocsövek speciálisan tervezett gyűjteményei egyedülálló módon képesek manipulálni és koncentrálni az excitonokat.

3. ábra. Exciton antenna.

Ez a munka szerepelt a “Here comes the sun” című dokumentumfilmben, amelyet a dán nemzeti televízió sugárzott. A videó egy részlete alább látható.

Projektterület:

Vizsgáljuk az egyfalú szén nanocsövek (SWNT) beépítését a következő generációs napelemekbe, mint közeli infravörös abszorberek, hogy hatékonyan hasznosíthassuk az energiát az 1000nm és 1400nm közötti tartományban. Mind az alapvető anyagokkal kapcsolatos kérdések a lehető legnagyobb hatásfok elérése érdekében, mind pedig az eszköztervezési megfontolások érdekelnek bennünket. 2012 júliusában Jain és Howden és munkatársai először fejlesztettek ki egy polimermentes szénalapú fotovoltaikus rendszert, amely az SWNT/C60 határfelületen történő exciton-dissociációra támaszkodik, és demonstrálta, hogy képes a közeli infravörös energia hasznosítására egy tiszta, tiszta SWNT-fázisból (4. ábra).

4. ábra. Teljesen szénalapú fotovoltaikus

Projektterület: Növényi nanobionika és napenergia

A természetben előforduló fotoszintetikus rendszerek kidolgozott önjavító utakat használnak a fénykárosodás hatásának korlátozására. Kimutattuk, hogy egy fotoszintetikus reakcióközpontokból, foszfolipidekből és szén nanocsövekből álló komplex utánozza ezt a folyamatot, és fotoelektrokémiai aktivitást mutat. Az összetevők olyan konfigurációba rendeződnek, amelyben a szén nanocsövek felületén lipid kettősrétegek tömbje adszorbeálódik, platformot teremtve a fénygyűjtő fehérjék rögzítéséhez. A rendszer egy felületaktív anyag hozzáadásakor szét tud bomlani, majd annak eltávolításakor újra összeállni, korlátlan számú cikluson keresztül. Jelenlegi munkánk az önjavító, határozatlan élettartamú bio-fotoelektrokémiai rendszerek kifejlesztésére összpontosít, a nanoanyagok és a természetes, nagy mennyiségben előforduló és gazdaságos fotoszintetikus egységek kapcsolódásával.

5. ábra. Fotóelektrokémiai komplexum a napenergia átalakítására

Ez a munka a “Here comes the sun” című lapban is megjelent:

.