To, co brzmi jak fragment wizji przyszłości, jest już opisane w literaturze naukowej i krąży po branżowych serwisach. Mowa tutaj o cząsteczce TISQ, stworzonej z myślą o organicznych ogniwach słonecznych. Zamiast klasycznego duetu materiałów typu p i typu n, którego trzeba w odpowiedni sposób połączyć w warstwie aktywnej, naukowcy proponują pojedynczy, przemyślany związek chemiczny. W jego budowie zaszyto zarówno właściwości obu typów półprzewodników, jak i skłonność do samoorganizacji w nanometrowej skali.
Stawka jest wysoka, bo organiczna fotowoltaika od lat kusi obietnicą lekkich, elastycznych, drukowanych ogniw, które można nanosić na folie, tkaniny czy elementy architektury. Problemem pozostają jednak zarówno wydajność, jak i powtarzalność procesu wytwarzania złącz p/n. TISQ celuje dokładnie w ten czuły punkt: zamiast walczyć o idealne wymieszanie dwóch różnych materiałów, badacze próbują sprawić, by jeden związek sam zbudował to, co w tradycyjnym ogniwie wymaga skomplikowanej obróbki.
Jak działają klasyczne ogniwa i co zmienia TISQ?
W klasycznym ogniwie słonecznym najważniejsze dzieje się na granicy dwóch światów: materiału typu p i materiału typu n. To na złączu p/n powstaje wewnętrzne pole elektryczne, które rozdziela ładunki wytworzone przez światło i zamienia fotony w użyteczny prąd. W technologiach organicznych ten pozornie prosty motyw staje się zaskakująco trudny, bo zamiast monolitycznego kryształu mamy do czynienia z mieszaniną kilku związków, wrażliwych na sposób nanoszenia, temperaturę, rozpuszczalnik i całą historię procesu.
Czytaj też: Fotowoltaika ma nowego gracza, o którym zapomnieli wszyscy eksperci. Właśnie pobił swój pierwszy rekord
Opisujące TISQ publikacje pokazują z kolei, że odpowiedni dobór fragmentów donorowych i akceptorowych oraz grup umożliwiających wiązania wodorowe pozwala cząsteczce spontanicznie układać się w uporządkowane struktury. To właśnie w tych samorzutnie tworzonych nanodomenach powstaje funkcjonalna granica między obszarem typu p i typu n. Jeżeli więc da się ją powtarzalnie odtworzyć, to samo w sobie otworzy drogę do prostszej, stabilniejszej i potencjalnie tańszej produkcji organicznych cienkowarstwowych ogniw słonecznych.
Jedna cząsteczka zamiast dwóch materiałów i kluczowy rozpuszczalnik
Sednem całej koncepcji jest specyficzna budowa TISQ. Jej architektura łączy w jednej molekule dwa kluczowe segmenty: jeden typu p (oparty na skwarianie) i drugi typu n (wykorzystujący naftalenodiimid). To połączenie, określane jako donor-akceptor-donor, jest zdolne do samodzielnego formowania tak zwanych heterozłączy p/n. Obie części łączą grupy amidowe, które sprzyjają tworzeniu wiązań wodorowych i to właśnie one nadają cząsteczce właściwości samoorganizacyjne, pozwalając jej spontanicznie układać się w precyzyjne nanostruktury. W praktyce oznacza to, że jeden związek chemiczny może zastąpić dwa oddzielne materiały, które wcześniej musiały być ze sobą starannie łączone.
Czytaj też: Koniec ery miedzi w elektronice. Naukowcy odkryli materiał, który zmieni przyszłość komputerów
Najbardziej zadziwiającą cechą TISQ jest jej plastyczność. Ostateczny kształt, w jaki układają się jej cząsteczki, zależy od rodzaju rozpuszczalnika użytego w procesie. W środowiskach polarnych tworzą się agregaty przypominające nanocząsteczki, podczas gdy w rozpuszczalnikach o niskiej polarności molekuły samoorganizują się w struktury włókniste. Tego typu podatność na warunki zewnętrzne daje naukowcom potężne narzędzie do kontrolowania właściwości końcowego materiału. Oba typy struktur wykazują inne właściwości elektroniczne, a to szczególnie pod względem efektywności transportowania ładunków wytworzonych przez światło. Ta możliwość manipulowania formą poprzez prostą zmianę rozpuszczalnika otwiera nowe ścieżki optymalizacji wydajności przyszłych ogniw.
Z punktu widzenia inżyniera materiałowego cząsteczka TISQ jest interesująca nie tylko dlatego, że łączy w jednej strukturze segment typu p i segment typu n. Równie ważne jest to, że reaguje ona na otoczenie w przewidywalny, powtarzalny sposób. W klasycznej architekturze organicznego ogniwa słonecznego trzeba dobrać proporcje dwóch różnych materiałów, rozpuścić je w odpowiednim stosunku, a następnie liczyć na to, że podczas odparowywania rozpuszczalnika powstaną domeny o właściwych rozmiarach i wzajemnym ułożeniu. Każda zmiana parametrów procesu może ten delikatny balans zaburzyć.
W przypadku TISQ część tej układanki jest wbudowana w samą cząsteczkę. To ona niesie w sobie informację o tym, jak się agregować i w jaki sposób rozdzielać obszary bogate w segment donorowy i akceptorowy. Rozpuszczalnik pełni tu rolę prostego przełącznika, który wybiera scenariusz samoorganizacji: bardziej zwarte, nanocząsteczkowe agregaty typu J lub wydłużone, włókniste struktury typu H. W obu przypadkach mamy do czynienia z tym samym składem chemicznym, a jednak powstające układy różnią się geometrią ścieżek przewodzenia ładunku oraz efektywnością transportu.
Pierwsze prototypy i długa droga przed naukowcami
Japońscy naukowcy nie poprzestali na teorii i stworzyli prototypowe, cienkowarstwowe ogniwa słoneczne, w których TISQ był jedynym materiałem fotoaktywnym. Testy potwierdziły, że cząsteczka faktycznie tworzy przez samoorganizację niezbędne heterozłącza p/n, dowodząc tym samym wykonalności całego pomysłu. Stanowi to ważny krok, który pokazuje, że koncepcja projektowania molekuł zdolnych do autonomicznego tworzenia funkcjonalnych struktur elektronowych jest realna. Niestety, entuzjazm trzeba nieco ostudzić. Zespół otwarcie przyznaje, że wydajność konwersji energii w tych pierwszych prototypach jest wciąż bardzo niska. Przed ewentualnym zastosowaniem komercyjnym konieczne są lata dalszych, żmudnych badań nad poprawą kluczowych parametrów.
Skupiamy się na opracowywaniu strategii projektowania molekularnego, które wykorzystują samoorganizację do łączenia nanostrukturalnych heterozłącz p/n z odpowiedziami fotoelektronicznymi w jednoskładnikowych systemach organicznych. Pogłębiając to zrozumienie zależności struktura-funkcja, dążymy do poszerzenia przestrzeni projektowej organicznych cienkowarstwowych ogniw słonecznych i powiązanych materiałów optoelektronicznych – wyjaśnia Takeshi Maeda, jeden z badaczy zaangażowanych w projekt.
Czytaj też: Przemysł od 200 lat wytwarza parę tak samo. Teraz jedna firma chce to zrobić bez spalania czegokolwiek
TISQ nie zrewolucjonizuje jutro rynku fotowoltaiki, nie dogoni też z dnia na dzień krzemowych rekordzistów wydajności. Jej znaczenie leży gdzie indziej, bo ta cząsteczka pokazuje, że można myśleć o materiale fotowoltaicznym jak o czymś więcej niż biernym pochłaniaczu światła. W tej koncepcji TISQ staje się jednocześnie źródłem ładunków, projektantem ścieżek ich transportu i budowniczym złącza p/n, a wszystkie te funkcje zapisuje się w jej strukturze chemicznej. Jeżeli taka filozofia projektowania się przyjmie, to kolejne generacje organicznych ogniw słonecznych mogą być wynikiem nie tyle żmudnego strojenia procesów produkcyjnych, ile wyścigu pomysłów na coraz sprytniejsze architektury molekularne. Wtedy doniesienia o nowych materiałach nie będą już tylko informacją o kolejnej mieszaninie, lecz o całych programach zaszytych w pojedynczych cząsteczkach. Od laboratoriów w Osace do realnych instalacji droga jest długa, ale TISQ pokazuje, że na tym szlaku pojawił się nowy, intrygujący drogowskaz.