Yapay fotosentezin ve yeni nesil yarı iletkenlerin verimliliğini artırmanın temel ilkesi

Sungkyunkwan Üniversitesi Kimya Bölümü’nde profesör olan Taeyeon Kim liderliğindeki bir araştırma ekibi, Yonsei Üniversitesi’nden bir ekiple işbirliği içinde, hem bitkilerin elektrik enerjisi üretiminde (fotosentez) hem de yeni nesil moleküler yarı iletken cihazlarda merkezi bir rol oynayan bir olgu olan yük ayrımını kontrol eden yeni bir ilke belirledi.

Bulgular şu adreste yayınlandı: Doğa İletişimi.

Bitkiler enerji üretmek için güneş ışığını emdiğinde, hızla ayrışır ve yükü iç yapılarına aktarırlar. Bu süreçten ilham alan bilim camiası, uzun süredir yapay fotosentez sistemleri ve organik güneş pilleri gibi yeni nesil enerji cihazları geliştirmenin yollarını arıyor. Mükemmel elektron kabul etme özellikleriyle bilinen organik bir yarı iletken molekül olan yoğun şekilde istiflenmiş “perilen bisimid (PBI)” tarafından oluşturulan moleküler agrega yapılar, araştırmalarda özellikle dikkat çekmiştir. Bununla birlikte, sıkı bir şekilde kümelenmiş moleküller tarafından oluşturulan karmaşık ortam, çevredeki ortamın tek başına yük transferini nasıl etkilediğinin kesin olarak belirlenmesini zorlaştırmıştır.

Bu sorunu çözmek için araştırma ekibi, moleküllerin yığılmış nanoyapısını değiştirmeden korurken çevredeki solventin (sıvı) polaritesinin seçici olarak değiştirilmesine olanak tanıyan tescilli bir PBI moleküler agrega platformu geliştirdi. Ekip, femtosaniye ölçeğinde (saniyenin katrilyonda biri) ışıktaki ince değişiklikleri yakalayabilen ultra hızlı lazer spektroskopisini bu toplu platforma uyguladı ve sonuçları kuantum kimyasal hesaplamalarla destekledi.

Sonuçlar, ilk kez, yük aktarım mekanizmasının çevredeki çözücünün özelliklerine bağlı olarak tamamen değiştiği bir olguyu ortaya çıkardı; buna “mekanizma geçişi” denir. Yağ gibi düşük polariteli çözücülerde yük aktarımı, moleküllerin ince titreşimler aracılığıyla enerji bariyerlerinden geçtiği kuantum-mekanik tünelleme (yarı klasik bir rejim) tarafından yönlendiriliyordu. Su veya alkol gibi yüksek polariteli solventlerde yük transferi bunun yerine çevredeki solvent moleküllerinin kolektif dalgalanması (klasik bir rejim) tarafından yönetiliyordu.

Ekip ayrıca, güçlü ışığa maruz kalma durumunda, “eksiton difüzyon uzunluğunun” (ışık enerjisinin seyahat ettiği etkili mesafe) çevredeki solvent ortamına bağlı olarak 35,9 nanometreden (nm) 98,8 nanometreye ayarlanabileceğini gösterdi. Bu, organik yarı iletkenlerdeki enerjinin daha uzun mesafelerde kayıpsız olarak daha verimli bir şekilde aktarılmasına yönelik bir yol açar.

Kim, “Bu çalışma, dielektrik ortamın etkisini, yapısal bozulma olmadan, karmaşık bir moleküler agrega içinde tek başına izole etmesi ve böylece yük transferinin temel ilkesini ortaya çıkarması açısından önemlidir.” dedi. “Bunun, organik güneş pilleri ve yapay fotosentez sistemleri gibi çevre dostu geleceğin enerji cihazlarının verimliliğini en üst düzeye çıkarabilecek entegre moleküler tasarım yönergeleri sağlamasını bekliyoruz.”