doi.org/10.1002/adma.202400578
Credibilidade: 989
#Semicondutores
Novas pesquisas explicam parcialmente o desempenho excepcional de uma nova classe de semicondutores orgânicos chamados aceitadores de não fulereno (NFAs)
A energia solar desempenha um papel vital na transição para um futuro de energia limpa Normalmente, o silício, um semicondutor comum encontrado na eletrônica cotidiana, é usado para coletar energia solar.
No entanto, os painéis solares de silício apresentam limitações – são caros e difíceis de instalar.
superfícies curvas Pesquisadores desenvolveram materiais alternativos para a captação de energia solar para resolver tais deficiências Entre os mais promissores deles estão os chamados semicondutores orgânicos, semicondutores à base de carbono que são abundantes na Terra, mais baratos e ecologicamente corretos Eles podem potencialmente reduzir o custo de produção para painéis solares porque esses materiais podem ser revestidos em superfícies arbitrárias usando métodos baseados em solução – assim como pintamos uma parede, – disse Wai-Lun Chan, professor associado de física e astronomia da Universidade do Kansas.
Esses materiais orgânicos podem ser ajustados para absorver luz em comprimentos de onda selecionados, que podem ser usados para criar painéis solares transparentes ou painéis com cores diferentes.
Essas características tornam os painéis solares orgânicos particularmente adequados para uso em edifícios verdes e sustentáveis de próxima geração- Embora semicondutores orgânicos já tenham sido usados no display painel de eletrônicos de consumo, como telefones celulares, TVs e fones de ouvido de realidade virtual, eles ainda não foram amplamente utilizados em painéis solares comerciais.
Uma deficiência das células solares orgânicas tem sido sua baixa eficiência de conversão de luz em eletricidade, cerca de 12% versus células solares de silício cristalino único que funcionam com uma eficiência de 25% De acordo com Chan, os elétrons em semicondutores orgânicos normalmente se ligam às suas contrapartes positivas conhecidas como buracos.
Dessa forma, a luz absorvida pelos semicondutores orgânicos geralmente produz quasipartículas eletricamente neutras conhecidas como excitons com aceitadores de não fulereno Mas o recente desenvolvimento de uma nova classe de semicondutores orgânicos conhecidos como aceitadores de não fulereno (NFAs) mudou esse paradigma As células solares orgânicas feitas com NFAs podem atingir uma eficiência próxima da marca de 20% Apesar de seu excelente desempenho, é permaneceu claro para a comunidade científica por que esta nova classe de NFAs supera significativamente outros semicondutores orgânicos.
Em um estudo inovador publicado na Advanced Materials, Chan e sua equipe, incluindo os estudantes de pós-graduação Kushal Rijal (autor principal), Neno Fuller e Fatimah Rudayni do departamento de Física e Astronomia, e em colaboração com Cindy Berrie, professora de química na KU, descobriram um mecanismo microscópico que resolve em parte o excelente desempenho alcançado por um NFA [] A chave para esta descoberta foram as medições feitas pelo autor principal Rijal usando um experimental técnica apelidada de espectroscopia de fotoemissão de dois fótons resolvida no tempo – ou TR-TPPE.
Este método permitiu à equipe rastrear a energia dos elétrons excitados com uma resolução de tempo subpicossegundo (menos de um trilionésimo de um segundo).
Eles observaram que alguns dos elétrons opticamente excitados no NFA podem ganhar energia do meio ambiente em vez de perder energia para o meio ambiente, – disse Chan.
Esta observação é contra-intuitiva porque os elétrons excitados normalmente perdem sua energia para o meio ambiente como uma xícara de café quente perdendo seu calor para o ambiente- A equipe, cujo trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia, acredita que esse processo incomum ocorre em escala microscópica graças ao comportamento quântico dos elétrons, que permite que um elétron excitado apareça simultaneamente em várias moléculas Essa estranheza quântica combina com a Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que todo processo físico levará a um aumento na entropia total (frequentemente conhecida como desordem) para produzir o processo incomum de ganho de energia.
calor para o ambiente frio porque a transferência de calor leva a um aumento na entropia total,- disse Rijal Mas descobrimos que para moléculas orgânicas dispostas em uma estrutura específica em nanoescala, a direção típica do fluxo de calor é invertida para que a entropia total aumente.
o fluxo de calor reverso permite que excitons neutros ganhem calor do ambiente e se dissociem em um par de cargas positivas e negativas.
Essas cargas livres podem, por sua vez, produzir corrente elétrica- Implicações para soluções energéticas futuras Com base em suas descobertas experimentais, a equipe propõe que esta entropia- O mecanismo de separação de carga acionado permite que células solares orgânicas feitas com NFAs alcancem uma eficiência muito melhor.
A compreensão do mecanismo de separação de carga subjacente permitirá aos pesquisadores projetar novas nanoestruturas para aproveitar a entropia para direcionar o fluxo de calor ou energia em nanoescala, – Rijal disse Apesar da entropia ser um conceito bem conhecido na física e na química, ela raramente tem sido utilizada ativamente para melhorar o desempenho de dispositivos de conversão de energia.
Não só isso: embora a equipe da KU acredite que o mecanismo descoberto neste trabalho pode ser utilizado para produzir energia solar mais eficiente.
células, eles também acham que isso pode ajudar os pesquisadores a projetar fotocatalisadores mais eficientes para a produção de combustível solar, um processo fotoquímico que usa a luz solar para converter dióxido de carbono em combustíveis orgânicos
Publicado em 14/07/2024 02h14
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