دنبال کردن حامل‌های بار در بلور مولکولی درپیوندگاه pn آلی

توضیح تصویر: (الف) رسانایی جست و خیزی در پیوندگاه بی نظم شده، (ب) رسانایی باند در پیوندگاه بلورین.
اعتبار: NINS / IMS
 

یک سلول خورشیدی آلی، سبک، انعطاف پذیر، کم هزینه و سبز است، از این رو به عنوان یک هسته بالقوه نوآوری در صنعت انرژی تجدید پذیر محسوب می‌شود. کارایی تبدیل انرژی سلول خورشیدی آلی، با این حال، پایین تر از سلول های خورشیدی سیلیکونی فعلی است.
 
در سلول های خورشیدی نیمه رسانا، نور به یک جفتِ انرژی گرفته‌ی متشکل از یک الکترون (حامل بار منفی) و یک حفره (حامل بار مثبت) در سطح مشترک " پیوندگاهpn " در دو لایه نیمه هادی در سلول تبدیل می شود. مولکولهای اهدا کننده (الکترون دهنده، نوع p) و دریافت کننده (الکترون گیرنده، نوع n) در هر لایه از نیمه رساناها با یکدیگر به صورت پیوندگاه ایده آل P / N روبرو می شوند. برای افزایش تعداد چنین "باتری های خورشیدی" در سلول، منطقه بزرگ پیوند pn مورد نیاز است، به طوری که یک پیوند pn جسیم پیچیده، که یک سطح مشترک تا خورده شبیه پارچه چین چین است، توسعه یافته باشد. در چنین ساختار پیچیده‌ی ماز گونه‌ای، حامل های تولید شده به سختی به الکترودهای خروجی سلول می رسند، زیرا مولکول ها به گونه ای زمخت ترتیب گرفته اند، و به عبارت دیگر میزان کریستالی بودن کم است. برای تحقق بخشیدن به یک انتقال بالای کارآ، حامل بار، یعنی الکترون یا حفره، باید به صورت یک موج ماده بین مولکول ها تغییر موفعیت دهد. ترتیب منظم شده‌ی مولکولها طبیعت موجی حامل ها را به ارمغان می آورد.
 
محققان موسسه علوم مولکولی (IMS)، موسسه تحقیقات تابش سینکروترون ژاپن (JASRI) و دانشگاه توکیو، موفق به ساخت پیوندگاه pn  نیمه رسانای آلی با بلورینگی بالا شده اند. در فرایند تولید پیوندگاه، مولکول های پذیرنده (پرفلوورپنتازن) به روشی کاملاً منظم شده روی کریستال منفرد مولکول‌های دهنده (پنتازن) با استفاده از تکنیک اپیتاکسی پرتو مولکولی نشانده می شوند. ساختارهای الکترونیکی پیوندگاه بلورین pn توسط طیف سنجی فوتوالکترونیِ تفکیک شده‌ی زاویه‌ای مشاهده شد و لایه مولکول های پذیرنده از باند ظرفیت، که گواه استناد به طبیعت موجی است، را نشان داد. نتیجه این مطالعه نشان می دهد که MBE اجازه ساخت پیوندگاه بلورین pn را می دهد که می تواند ظهور ماهیت موجی هر دو الکترون و حفره را به ارمغان بیاورد.
 
عملکردهای نیمه رساناهای آلی می توانند با طراحی ساختارهای مولکول های آلی تشکیل دهنده تنظیم شوند. فن آوری ساخت پیوندگاه های pn بلوری با استفاده از انواع مولکول های آلی ما را قادر به تحقق بخشیدن به مفهوم جدید سلول های آلی خورشیدی دارای بهره وریِ تبدیل انرژی بالا می کند.
 

برای اولین بار در جهان، یک تیم تحقیقاتی، مولکول های آلی تک مؤلفه ای را طراحی کرده و ساخته است. این مولکول ها تحت فشار نرمال مانند فلز رسانا هستند، و این علیرغم این واقعیت است که این مولکول ها نه حاوی مولکول های چندگانه و نه عناصر فلزی هستند. از آنجا که مولکول ها کاملا خالص هستند، در مقایسه با مواد رسانای آلی تقویت شده‌ی شیمیایی مرسوم قابل دوام‌تر و پایدارتر هستند. این مولکول های جدید ممکن است در الکترودهای سلول خورشیدی و پانل های لمسی کاربرد داشته باشند.
     
مولکول های آلی که تنها از عناصر سبک تشکیل شده اند، اساساً حامل هایی ندارند که از طریق آن ها یک بار الکتریکی بتواند عبور کند. به این ترتیب، آنها رساناهایی با کیفیت بالا نیستند. برای حل این مسئله، فلزات آلی خالص برای بیش از 50 سال به وسیله ترکیبی از مولکول هایی با خواص مختلف، و از آنجا تغییر خواص منفردشان و تولید حامل های بار، ساخته شده است. به خوبی می‌دانیم که پروفسور هیدکی شیراکاوا جایزه نوبل را برای کشف پلیمرهای رسانا از میان این مولکول های مورد مطالعه به دست آورد. با این حال، مولکول های چندگانه‌ی ترکیب شده در یکدیگر از نظر پایداری و قابلیت تحمل مشکلاتی دارند. از سوی دیگر، در ارتباط با مواد آلی خالص ساخته شده از یک جزء، لازم بود فشار بالا، حداقل 1 گیگا پاسکال (GPa)، روی آنها به منظور ایجاد رسانایی‌ای در حد فلز در آنها، اعمال شود. با توجه به این تمرین، سالها تصور می شده است که رسانا کردن این مواد در حد فلز تحت فشار محیطی امری بسیار دشوار است.
 فن آوری ساخت پیوندگاه های pn بلوری با استفاده از انواع مولکول های آلی ما را قادر به تحقق بخشیدن به مفهوم جدید سلول های آلی خورشیدی دارای بهره وریِ تبدیل انرژی بالا می کند.اخیراً تیم تحقیقاتی، مولکول های جدیدی را طراحی کرده است که خود به خود تولید حفره هایی می کنند که می توانند به عنوان حامل های بار عمل کنند. سپس تیم، مولکول های آلی خالصی را تولید کرد که در تنوع وسیعی از دماها، تحت فشار عادی، الکتریسیته را مانند فلز هدایت می کردند. هدایت الکتریکی فیلمی که منحصرا از این مولکول ها ساخته شد (TED به عنوان نام کوتاه) 530 S/cm  در دمای اتاق، و 1,000 S/cm  در دمای 50 K بود. هدایت الکتریکی در بالاترین سطح در میان فلزات آلی است. علاوه بر این، از طریق محاسبات مدار مولکولی، تیم دریافت که TED دارای یک گرادیان چگالی چرخشی برجسته است که در دیگر مولکول های رادیکال مشاهده نشده است. این حالت الکترونیکی ممکن است با مکانیزمی که مولکولهای تک مؤلفه خواص هدایت فلزی را نشان می دهند، ارتباط داشته باشد.
 
این یافته ها می تواند دو جهت کلی در طراحی مواد آلی بسیار رسانا ایجاد کند. ابتدا یک گام اضافه کردن یک ماده شیمیایی برای رسانا ساختن مواد (پس از دوپینگ) می تواند حذف شود و در نتیجه‌ی آن امکان پذیر است که مولکول های طراحی شده‌ای را ایجاد کنیم که به طور قابل ملاحظه ای باعث افزایش دوام و پایداری شیمیایی مواد رسانا می شوند. دوم، از دیدگاه کاربرد عملی، یک روش فابل چاپ، یک تکنیک چاپ مشتق شده، می تواند به آسانی برای تولید مواد آلی بسیار رسانا مورد استفاده قرار گیرد.
 
منبع: سایت ساینس دِیلی