Badanie spinów w celu określenia nowych zasad projektowania materiałów na potrzeby fotowoltaiki organicznej
Organiczne urządzenia elektroniczne oparte są na małych organicznych cząsteczkach lub polimerach, które wykazują użyteczne właściwości elektroniczne, takie jak przewodnictwo. Niskie koszty i łatwość przetwarzania sprawiają, że są one konkurencyjne na rynku energii, a ich elastyczność i łatwość dostrajania, w tym różne kolory i stopnie przezroczystości, umożliwiają łatwe zastosowanie w projektach budynków. W ramach współfinansowanego ze środków UE projektu SpinSolar wykorzystano spektroskopię elektronowego rezonansu spinowego do szczegółowej charakterystyki procesów zależnych od spinu w cząsteczkach organicznych i materiałach wykorzystywanych w fotowoltaice i optoelektronice. Badania przeprowadzono dzięki wsparciu programu Maria Skłodowska-Curie. „Wykrywanie spinów w nowych materiałach funkcjonalnych oraz charakteryzowanie ich środowiska i wzajemnych oddziaływań może pomóc w lepszym zrozumieniu, w jaki sposób właściwości molekularne determinują funkcjonowanie w potencjalnych zastosowaniach technologicznych”, mówi koordynator projektu, Jan Behrends.
Lepsze zrozumienie zależności między strukturą a właściwościami fizycznymi
Naukowcy wykorzystali spektroskopię elektronowego rezonansu spinowego, aby jeszcze lepiej poznać naturę i dynamikę cząsteczek paramagnetycznych w nowych organicznych materiałach funkcjonalnych. Spektroskopia elektronowego rezonansu spinowego jest wyjątkową techniką charakteryzacji stosowaną obecnie do badania tych materiałów, ponieważ pozwala na wyselekcjonowanie cząsteczek przenoszących niesparowane elektrony i zapewnia bezpośrednie informacje na temat ich środowiska w nanoskali. Członkowie zespołu badali zależność między strukturami molekularnymi organicznych cząsteczek i materiałów a ich właściwościami elektronowymi. Przebadali oni serię poskręcanych acenów, czyli cząsteczek organicznych opartych na pierścieniach benzenowych z bezpiecznikiem, które działają jako materiały aktywne w szeregu urządzeń wykorzystywanych w elektronice organicznej. Wyniki pokazały, jak zmieniał się rozkład niesparowanych elektronów w fotoekscytowanym stanie trypletowym cząsteczki w miarę jak zmieniał się jej układ planarny i jak to wpłynęło na jej właściwości. „W widmach zmierzonych za pomocą spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego wyraźnie dało się zauważyć nawet niewielkie zmiany stopnia skręcenia, co świadczy o wysokim stopniu czułości tej techniki”, wyjaśnia stypendystka programu Maria Skłodowska-Curie, Claudia Tait.
Nowe spojrzenie na istotne właściwości materiału
Jednym z głównych wyzwań stojących przed elektroniką organiczną jest kontrola przewodności polimerów za pomocą molekularnych domieszek. W związku z tym uczestnicy projektu SpinSolar badali domieszkę P3HT, polimeru organicznego, który dzięki utlenieniu może stać się materiałem przewodzącym. Rozważane jest zastosowanie go w ogniwach słonecznych, tranzystorach polowych i czujnikach chemicznych. „W badaniu wykorzystującym spektroskopię elektronowego rezonansu spinowego i optycznego porównaliśmy szereg różnych domieszek i różnych form polimeru, próbując zidentyfikować odpowiednie właściwości molekularne na potrzeby skutecznego domieszkowania”, zauważa Jan Behrends. Zdolność spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego do określenia ilościowego i charakteryzowania gatunków paramagnetycznych wytwarzanych przez domieszkowanie pokazała, że mechanizm domieszkowania jest determinowany przede wszystkim zdolnością polimeru do delokalizacji nabytego ładunku, a nie wielkością i kształtem cząsteczki domieszki. Naukowcy odkryli również, że różne domieszki mogą prowadzić do znacząco różnych sygnatur widmowych spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego w układzie polimer-domieszka i że do dokładnej charakterystyki wymagane są zaawansowane techniki impulsowe spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego dla wielu pasm częstotliwości. W odpowiedzi na szereg pytań, uczestnicy projektu SpinSolar z powodzeniem wykazali potencjał techniki spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego, w szczególności zaawansowanych metod pulsacyjnych. Claudia Tait i Jan Behrends podsumowują: „Wiedza na temat zależności między strukturą molekularną a właściwościami elektronowymi uzyskana za pomocą tej techniki może potencjalnie wpłynąć na projektowanie nowych materiałów funkcjonalnych i nowych kombinacji materiałów na potrzeby fotowoltaiki oraz innych urządzeń wykorzystujących elektronikę organiczną”.
Słowa kluczowe
SpinSolar, elektronika organiczna, spektroskopia elektronowego rezonansu spinowego, fotowoltaika, domieszkowanie molekularne
