La spettroscopia fotoelettronica con sonda a raggi X e pompa visibile monitora la migrazione degli eccitoni e la generazione di carica in un'eterogiunzione molecolare tra un donatore di rame-ftalocianina (CuPc) e un donatore a base di fullerene (C 60 ) accettore. Gli eccitoni singoletti nella regione interfacciale (blu) dominano la generazione di carica sulle scale temporali più brevi. Su tempi più lunghi, però, gli eccitoni tripletti dalle eccitazioni all'interno del materiale sfuso (rosso) contribuiscono alla maggior parte delle cariche generate, in definitiva domina il rendimento di generazione di carica mediato nel tempo. Credito:Friedrich Roth, Istituto di Fisica Sperimentale, TU Bergakademie Freiberg
I dispositivi di nuova generazione basati su materiali molecolari hanno il potenziale per utilizzare in modo efficiente la luce solare per produrre elettricità o per guidare reazioni chimiche. A differenza delle celle solari commerciali, dove l'assorbimento della luce genera direttamente una carica che può essere estratta come elettricità, l'assorbimento della luce da parte dei materiali molecolari crea stati energetici privi di carica chiamati eccitoni. Il trucco per creare un dispositivo efficace è convertire in modo efficiente gli eccitoni in carica. Questo studio ha scoperto un nuovo meccanismo per creare carica dagli eccitoni. Seguendo gli eccitoni in un materiale molecolare modello, un team ha scoperto che gli eccitoni a bassa energia prodotti in profondità nella massa svolgono un ruolo maggiore nella generazione di carica di quanto si pensasse in precedenza.
Lo studio del team mostra che un fattore precedentemente trascurato, percorso più lento crea la maggior parte della carica all'interfaccia. Questa intuizione mostra un percorso che gli scienziati dovrebbero prendere in considerazione durante la progettazione dell'elettronica molecolare. Lo studio fornisce anche valori di riferimento assoluti per la progettazione di interfacce specializzate che convertono in modo efficiente la luce in carica.
Per progettare celle solari molecolari, sensori, eccetera., i ricercatori devono sapere come la luce crea elettricità su scala atomica. Questo non è facile perché i processi possono avvenire in un trilionesimo di secondo (picosecondo). I ricercatori hanno trovato un modo, utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X risolta in tempo di picosecondi e un materiale modello costituito da un donatore di elettroni a base di rame e un accettore di carbonio. Nello specifico, hanno esaminato eterogiunzioni metallo-organiche in un donatore di rame-ftalocianina (CuPc) e accettore a base di fullerene (C60). Il metodo consente agli scienziati di studiare come gli eccitoni migrano attraverso il materiale e si dissociano in cariche separate utili per applicazioni elettroniche o chimiche. I loro risultati hanno cambiato il modo in cui gli scienziati pensano all'energia in questo materiale. La vista precedente si concentrava sugli eccitoni di energia superiore, noti come eccitoni singoletti, che sono generati direttamente dalla luce. I ricercatori pensavano che gli eccitoni singoletti creati nel punto in cui i materiali del donatore e dell'accettore si incontrano generassero la maggior parte dell'elettricità. Non così. Formazione più lenta, gli eccitoni di triplette a bassa energia che si formano nella maggior parte del materiale a base di rame contribuiscono alla maggior parte della carica in media nel tempo.
Lo studio offre nuove informazioni sulla migrazione degli eccitoni e sulla generazione di carica in questi materiali. Anche, fornisce valori di riferimento assoluti per la progettazione di CuPc-C 60 eterogiunzioni per un'efficiente conversione da luce a carica.
