В отличие от электрических проводников, таких как металлы, полупроводники — это материалы, которые проводят электричество только при определенных обстоятельствах, например, при облучении светом. Благодаря этому свойству полупроводниковые пластмассы (также называемые полупроводниковыми полимерами) являются очень многообещающими материалами для солнечных элементов последнего поколения — органических солнечных элементов. По сравнению с классическими неорганическими вариантами их производство может быть дешевле, и они представляют собой очень легкие материалы, что может быть выгодно для многих приложений, например, в транспортном секторе. «Тем не менее, органические солнечные элементы по-прежнему не достигают той же эффективности, что и неорганические солнечные элементы на основе кремния, поэтому существует значительная потребность в исследованиях в этой области», — объясняет Анн Штаубиц из Института Отто Дильса область своих исследований.
Важным критерием таких полупроводников является то, насколько эффективно они поглощают солнечный свет, чтобы преобразовать его в электричество. Когда солнечный свет преобразуется в электричество, отрицательно заряженные электроны в полупроводнике поднимаются с одного энергетического уровня на более высокий энергетический уровень. Этот процесс оставляет положительно заряженную «дыру» на нижнем энергетическом уровне.
Затем заряды просачиваются отдельно к разным электрическим полюсам: можно наблюдать ток. Солнечный свет может инициировать этот процесс. Чем ближе эти энергетические уровни вместе, тем проще этот процесс: больше фотонов может быть поглощено и, таким образом, может быть использовано больше солнечной энергии. Полимеры, в которых этот промежуток («запрещенная зона») между энергетическими уровнями небольшой, имеют красный, в редких случаях даже пурпурный цвет.
Поэтому одной из целей исследований синтетических органических полупроводников является производство органических полимеров с небольшими энергетическими зазорами (или запрещенными зонами). Однако разработка таких сильно светопоглощающих, сильно окрашенных пластиков очень трудна и поэтому является очень активной областью текущих исследований. «С новым материалом из наших лабораторий невооруженным глазом видно, что нам удалось разработать такие пластмассы!» — говорит Штаубиц.
Полимер имеет темно-фиолетовый цвет в растворе и почти черный при превращении в тонкую пленку.Чтобы добиться очень малых энергетических разрывов, ученые из Киля использовали новую концепцию. Они включили органическое олово в форме циклических молекул («станолов») в основную углеродно-полимерную цепь.
Олово принадлежит к той же химической группе, что и углерод, и поэтому схожи по некоторым своим свойствам. Однако электронные свойства станолов и соответствующих углеродных соединений (циклопентадиенов) сильно различаются. «Олово — это не просто избыточный атом углерода», — объясняет Энн Штаубиц. «Это может значительно снизить энергетический уровень в своих органических соединениях».
Но до сих пор никому не удавалось использовать эти особые свойства олова в полимерных материалах.Соединение этих отдельных молекулярных строительных блоков (мономеров) вместе было сложной задачей для исследователей: мономеры не только содержали желаемое олово в самих станнольных звеньях; Органическое олово также присутствовало в реакционных связующих группах, которые были необходимы для соединения мономеров вместе с образованием полимера.
Только эти группы должны были реагировать, тогда как станнольные кольца не должны подвергаться атаке. Это было жизненно важно, потому что любая нежелательная побочная реакция привела бы к значительному укорачиванию полимерной цепи, что привело бы к существенному ухудшению качества полимера. «Это был проект с высоким риском, потому что реакции сочетания, позволяющие выбирать между двумя различными органическими группами олова, раньше не были известны в химии», — говорит Штаубиц.
Таким образом, докторанту Джулиану Линшофту пришлось не просто разработать селективную, но и высокоселективную реакцию кросс-сочетания. «Первая трудность заключалась в том, чтобы найти правильные модели реакционной способности мономеров», — вспоминает Линшофт. «Для этого в химической литературе пока не было свинца».Эксперимент удался.
Команда смогла приготовить желаемый пластик, используя палладий в качестве катализатора реакции. Материал легко перерабатывается в тонкие блестящие черные пленки, применение которых в солнечных элементах теперь можно проверить. Линшофт, чья работа финансировалась стипендией Немецкого фонда окружающей среды, говорит: «Наконец, мы можем приготовить эти новые полупроводниковые пластмассы.
Их полный потенциал можно будет оценить в ближайшем будущем».